DE10004398A1 - VCSEL mit monolithisch integriertem Photodetektor - Google Patents

Abstract

VCSEL mit einer aktiven Schicht (47), mit einem Photodetektor (20, 25) in einem der DBR-Gitter (15; 40, 50) und mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht (25), die in einem Schwingungsbauch einer Lasermode angeordnet ist. Laser und Photodetektor werden über einen gemeinsamen Kontakt (35) auf einer dicken, hoch dotierten Spacer-Schicht (30) elektrisch angesteuert, die für niedrige Laserimpedanz und geringes elektrisches Übersprechen zwischen Laser und Photodetektor sorgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mit einem Photodetektor, der mono­ lithisch in dem Resonator zwischen den Resonatorendspiegeln (DBR-Gitter) integriert ist, für optische Übertragungsstrec­ ken für hohe Datenraten.

Die elektrischen und optischen Eigenschaften, wie z. B. Schwellenstrom und differentieller Wirkungsgrad, variieren bei Laserdioden von Bauelement zu Bauelement. Die Eigenschaf­ ten jedes Bauelementes hängen von der Temperatur ab und sind lang- und kurzzeitigen Schwankungen unterworfen. Deshalb ist es erforderlich, über ein elektrisches Rückkoppelsignal zu verfügen, das direkte Informationen über die tatsächliche op­ tische Ausgangsleistung des Lasers liefert und verwendet wer­ den kann, um sowohl die Gleichstromvorspannung (bias) als auch die Modulationstiefe des Laserstromes auch während der Übertragung nachzuregeln. Die mit dem Aufbau einer Vorrich­ tung zur Einkopplung eines zwar geringen, aber doch bestimm­ ten Anteils der Laserstrahlung in einen externen Photodetek­ tor verbundenen Kosten führten zu der Entwicklung mono­ lithisch integrierter Bauelemente.

Eine Reihe von VCSEL-Strukturen mit monolithisch integrierten Photodetektoren in den als Reflektor fungierenden Bragg- Gittern sind beschrieben in den Veröffentlichungen von T. Kim et al.: "A Single Transverse Mode Operation of Top Surface Emitting Laser Diode with a Integrated photo-diode" in Proc. LEOS 1995, S. 416-417, Oktober 1995, von S. F. Lim et al.: "Intracavity Quantum-Well Photodetection of a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser" in Proc. Int. S.C.-Laser Conf. Okto­ ber 1996, Haifa/Israel, S. 183-184, and von J. A. Lott et al.: "Deep Red Vertical Cavity Surface Emitting Lasers With Monolithically Integrated Heterojunction Phototransistors For Output Power Control"" in Proc. Int. S.C.-Laser Conf. Oktober 1996, Haifa/Israel, S. 185-186. Weitere Quellen sind die Patente US 5,757,837, US 5,742,630, US 5,577,064, US 5,606,572 und US 5,136,603.

Die veröffentlichten Laserstrukturen mit integrierten Photo­ detektoren erfüllen nicht alle der folgenden Mindestbedingun­ gen: einfache Herstellbarkeit ohne Ausbeuteverlust auf dem Wafer, guter Kontrast gegenüber spontaner Emission und Umge­ bungslicht, um sowohl die Laserschwelle als auch den diffe­ rentiellen Wirkungsgrad feststellen zu können, geringe oder keine zusätzlichen Anforderungen an die anzulegende Spannung für das Gesamtsystem, reproduzierbare und frequenzunabhängige Rückkoppeleigenschaften und nur geringe Änderung der opti­ schen und elektrischen Eigenschaften über lange Betriebszei­ ten (Deterioration).

Photodetektoren in dem Halbleiterresonator sind praktisch nicht empfindlich gegen Umgebungslicht oder Streulicht. Da die Detektoreigenschaften dieser Photodetektoren vorwiegend auf den Eigenschaften des epitaktischen Schichtwachstums be­ ruhen, kann eine gute Ausbeute funktionsfähiger Bauelemente auch bei einer Fertigung mit großen Toleranzen erzielt wer­ den. Um Bauelemente herzustellen, deren Photodetektoren einen guten Kontrast gegen spontane Emission liefern, kann man ent­ weder den aktiven Detektorbereich auf eine Größe des Laser­ flecks reduzieren, was aber zusätzliche technische Probleme aufwirft und damit die Ausbeute reduziert (I. Y. Han, Y. H. Lee: "Oxide-apertured photodetector integrated on VCSEL" in Proc. CLEO '99, S. 176); oder die Empfindlichkeit gegenüber dem kohärenten Licht im Vergleich zur spontanen Emission kann durch einen dünnen absorbierenden Bereich an einem Schwin­ gungsbauch der stehenden Welle erhöht werden. Indem man den Abstand dieses dünnen absorbierenden Bereiches von dem akti­ ven Bereich verringert, kann der Kontrast gegen spontane Emission weiter erhöht werden. Damit wird allerdings auch die Absorption der Laserstrahlung erhöht, so dass der differentielle Wirkungsgrad herabgesetzt wird, was zu sehr hohen Emp­ findlichkeiten des Detektors von etwa 1 A/W führt.

Ein anderes Problem liegt darin, in einem integrierten Bau­ element höhere Laserimpedanzen im Vergleich zu einem einzel­ nen VCSEL und damit Schwierigkeiten bei Verwendung einer Treiberschaltung für hochfrequente Modulation des Laserstro­ mes zu vermeiden. Außerdem muss elektrisches Übersprechen zwischen Laser und Detektor minimiert werden, falls unverän­ derte HF-Komponenten des Monitorsignales gebraucht werden, z. B. beim Justieren von Gleichstromvorspannung und Modulati­ onstiefe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten VCSEL mit monolithisch integriertem Photodetektor anzugeben, der einfach herstellbar ist und eine ausreichend niedrige La­ serimpedanz, niedriges Übersprechen und guten Kontrast gegen spontane Emission besitzt.

Diese Aufgabe wird mit dem optoelektronischen Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen erge­ ben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das erfindungsgemäße Bauelement ist ein VCSEL mit einem Pho­ todetektor, der in einem der als Resonatorspiegel vorgesehe­ nen DBR-Gitter integriert ist, so dass keine mechanische Ju­ stage einer externen Monitordiode erforderlich ist. Zwischen den DBR-Reflektoren befindet sich ein aktiver Bereich, der für Strahlungserzeugung vorgesehen ist. Die in dem Resonator erzeugte kohärente Strahlung wird an der Oberfläche des Bau­ elementes emittiert. Der Photodetektor in einem der DBR- Reflektoren umfaßt eine dünne absorbierende Schicht, die im Bereich eines Schwingungsbauches der stehenden Welle einer Lasermode angeordnet ist. Die Energiebandkante des Materials in dem dünnen absorbierenden Bereiches ist geringfügig nied­ riger gewählt als die Energie, die der Frequenz der emittier­ ten Strahlung entspricht, um ein nicht reproduzierbares Ansprechen des Detektors zu verhindern, ohne jedoch den Anteil niedriger Energie der spontanen Emission zu absorbieren.

Laser und Photodetektor werden über eine gemeinsame Elektro­ de, vorzugsweise ein n-Kontakt, elektrisch angesteuert. Die­ ser Kontakt befindet sich auf einer Spacer-Schicht, die n- leitend dotiert ist mit einer ausreichenden Dotierstoffkon­ zentration, um einen niedrigen ohmschen Widerstand innerhalb der Schicht zu gewährleisten und auch für einen guten ohm­ schen Metall-Halbleiter-Kontakt zu sorgen. Diese Spacer- Schicht sorgt für niedrige Laserimpedanz und geringes elek­ trisches Übersprechen zwischen Laser und Photodetektor.

Vorzugsweise wird diese Spacer-Schicht oder eine weitere Schicht zwischen dem laseraktiven Bereich und dem Photodetek­ tor so gewählt, dass das kohärente Licht durch diese Schicht hindurch tritt, aber der Anteil hoher Energie der spontanen Emission absorbiert wird, so dass damit für die spontane Emission ein Tiefpassfilter gebildet ist. Zusammen mit der Eigenschaft des dünnen absorbierenden Bereiches, einen Hoch­ passfilter zu bilden, ist so insgesamt ein Bandpassfilter ge­ bildet, dessen Durchlassbereich um die Laserstrahlungsfre­ quenz herum liegt und so den Kontrast gegen spontane Emission weiter erhöht.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfin­ dungsgemäßen Bauelementes anhand der Fig. 1 bis 5.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbei­ spiel des Bauelementes.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Bauelementstrukturen.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm für eine Feldverteilung um die Spacer-Schicht.

Fig. 5 zeigt ein Energiebanddiagramm einer speziellen Aus­ führungsform.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes mit einem Photo­ detektor zwischen einem Substrat und dem strahlungserzeugen­ den aktiven Bereich, während Fig. 2 einen entsprechenden Querschnitt für ein Bauelement zeigt, bei dem der Photodetek­ tor auf der von dem Substrat abgewandten Seite des aktiven Bereiches angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 befinden sich auf einem vorzugsweise p-leitend do­ tierten Substrat 12 mit einem Rückseitenkontakt 10 übereinan­ der ein in diesem Beispiel p-leitend dotierter erster An­ teil 15 eines unteren ersten DBR-Gitters, ein intrinsisch leitender Bereich 20 des Photodetektors mit einer darin ange­ ordneten dünnen Absorptionsschicht 25, eine Spacer- Schicht 30, die hier hoch n-leitend dotiert ist, ein n-lei­ tend dotierter zweiter Anteil 40 des ersten DBR-Gitters, ein laseraktiver Bereich 45 mit einer darin ausgebildeten aktiven Schicht 47 und ein p-leitend dotiertes oberes zweites DBR- Gitter. Der aktive Bereich 45, 47 ist vorzugsweise als SCH (Separate Confinement Heterostructure) ausgebildet. Auf der Spacer-Schicht 30 befindet sich in diesem Beispiel ein ring­ förmiger Kontakt 35, der rings um eine Mesa aus Halbleiterma­ terial angeordnet ist, in der sich der obere Anteil 40 des ersten DBR-Gitters, der aktive Bereich 45, 47 und das zweite DBR-Gitter 50 befinden.

Die Absorptionskante des Energiebandes ist in der absorbie­ renden Schicht 25 geringfügig niedriger gewählt als die Ener­ gie des kohärenten Lichtes der erzeugten Lasermode. Auf diese Weise kann die Strahlung der Lasermode sicher detektiert wer­ den, ohne gleichzeitig den Anteil niedriger Energie in der spontanen Emission zu erfassen. Für eine Laserenergie von z. B. 1460 meV kann die Absorptionskante bei etwa 1450 meV ge­ wählt werden. In diesem Beispiel ist die dünne Absorptions­ schicht typisch etwa 7 nm dick und als InGaAs-Potentialtopf mit einem Indiumgehalt von wenigen Prozent ausgebildet. Bei der Festlegung der richtigen Absorptionskante sind der Ein­ fluß von Excitonen und der Temperatur zu berücksichtigen. Die Absorptionskante kann z. B. mittels Transmissionsspektroskopie gemessen werden. Je geringer der Unterschied zwischen der ef­ fektiven Energiebandlücke und der Energie der Laserstrahlung ist, um so geringer ist der Anteil der absorbierten spontanen Emission im oberen Energiebereich und um so besser ist der Kontrast gegen die spontane Emission.

Die Spacer-Schicht 30 hat vorzugsweise eine Dicke von mehre­ ren Wellenlängen der Laserstrahlung und ist vorzugsweise di­ rekt über dem intrinsisch leitenden Bereich 20 des Photode­ tektors angeordnet. Die effektive Energiebandlücke der Spacer-Schicht 30 wird so gewählt, dass sie die kohärente Strahlung der Lasermode nicht absorbiert, aber den Anteil ho­ her Energie der spontanen Emission absorbiert.

Ein oberer ringförmiger p-Kontakt 55 vervollständigt das Bau­ element. Grundsätzlich kann auch ein lichtdurchlässiger obe­ rer Kontakt aufgebracht sein, der dann die gesamte Licht­ austrittsfläche bedeckt. Alternativ kann auch Lichtaustritt nach unten durch das Substrat 12 hindurch vorgesehen sein. Das Substrat ist dann entsprechend aus einem für die Emissi­ onswellenlänge durchlässigen Halbleitermaterial gebildet. Au­ ßerdem sind auch andere Laserwellenlängen, z. B. 980 nm oder 1300 nm mit einem entsprechend gewählten Halbleitermaterial der dünnen Absorptionsschicht des Photodetektors möglich. Dieses Material ist geringfügig verschieden von dem Material der aktiven Schicht, weil ein etwas niedrigerer Energie­ bandabstand in der absorbierenden Schicht erforderlich ist als in der aktiven Schicht. Die Vorzeichen der Dotierung (n- leitend bzw. p-leitend) können vertauscht sein. Die in obiger Beschreibung angegebenen Vorzeichen stellen aber das bevor­ zugte Ausführungsbeispiel dar.

Die Monitorfunktion des Photodetektors hängt nicht von der Polarisationsrichtung oder den Eigenschaften der Transversal­ moden der VCSEL ab. Eine Variation des aktiven Bereiches oder der Form der Mesastruktur mit dem darin vorhandenen aktiven Bereich liegt im Rahmen der Erfindung.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform entsprechend Fig. 2 sind die Positionen der SCH-Struktur 45 mit der aktiven Schicht 47 und des Photodetektorbereiches mit der intrinsisch leitenden Schicht 20 und der dünnen Absorptionsschicht 25 miteinander vertauscht. Der Photodetektor befindet sich hier oberhalb der dicken n-dotierten Spacer-Schicht 30. Der aktive Bereich mit der aktiven Schicht 47 befindet sich zwischen ei­ nem p-leitend dotierten ersten Anteil 50 und einem n-leitend dotierten zweiten Teil 40 eines unteren DBR-Gitters zwischen der Spacer-Schicht 30 und dem Substrat 12. Auf der Spacer- Schicht 30 ist auch hier ein n-Kontakt 35 aufgebracht. Der Photodetektor 20, 25 ist innerhalb der streifenförmigen Mesa­ struktur angeordnet, und zwar unterhalb eines oberen p-lei­ tend dotierten DBR-Gitters 15. Die Detektoranode wird durch einen p-Kontakt 10 auf der Oberseite gebildet. Für diesen Kontakt gilt sinngemäß das, was zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erläutert wurde.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Bauelementes liegt darin, daß der effektive Photodetektorbereich verrin­ gert werden kann, was einen besseren Kontrast gegen spontane Emission und eine geringere Photodetektorkapazität liefert. Damit erreicht man eine hohe Detektorgeschwindigkeit. Geringe Laserkapazitäten können erreicht werden, indem man die für den Laser vorgesehene Struktur innerhalb des Ausführungsbei­ spieles gemäß Fig. 2 mit möglichst geringen Abmessungen aus­ bildet, die allerdings größer sein müssen als die Abmessungen der Mesa des Photodetektors. Für die Herstellung werden be­ vorzugt Trockenätzverfahren angewendet.

Der auf der Spacer-Schicht 30 aufgebrachte n-Kontakt 35 muß nicht ein ringförmiger Kontakt sein. Wegen des geringen ohm­ schen Widerstandes der ausreichend hoch n-leitend dotierten Spacer-Schicht 30 ist auch eine asymmetrische seitliche La­ dungsträgerinjektion ohne Verschlechterung der Lasereigen­ schaften möglich. Der Kontakt 35 kann daher auf einer seitli­ chen Oberseite der Spacer-Schicht 30 außerhalb des Bereiches der Mesa mit dem Photodetektor aufgebracht sein. Dann kann der untere Teil der Struktur mit dem laseraktiven Bereich auch als Mesa mit fast ebenso geringen Abmessungen wie die Abmessungen des Photodetektorbereiches ausgebildet sein.

Die übrigen Eigenschaften der beschriebenen Ausführungsbei­ spiele können entsprechend herkömmlichen VCSEL ausgebildet sein. Gold-Metall-Legierungen sind bevorzugte Kontaktmateria­ lien. Bevor das Metall auf die Halbleiteroberseite aufge­ bracht wird, wird diese von evtl. vorhandenen Oxiden befreit. Um gute Metall-Halbleiter-Kontakte zu erreichen auch im Falle stark variierender Mischkristallzusammensetzungen, was z. B. bei den DBR-Gittern der Fall ist, müssen auch Inhomogenitäten der Ätztiefe berücksichtigt werden. Diese Inhomogenitäten va­ riieren mit dem Materialsystem, das verwendet wird, und der Art des Ätzprozesses (Trockenätzen, Nassätzen), hängen aber hauptsächlich von der Gleichmäßigkeit der epitaktisch gewach­ senen Schichten ab. Im Fall von AlGaAs und Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid in wäßriger Lösung als naßchemischer Ätz­ lösung erreichen typische Inhomogenitäten Abweichungen von ±20 nm pro Mikrometer Ätztiefe. Es ist schwierig, gute und stabile ohmsche Kontakte auf Schichten mit hohem oder variie­ rendem Aluminiumgehalt zu erreichen. Erfindungsgemäß wird das Bauelement daher mit einer dicken, homogenen und hoch n- leitend dotierten Halbleiterschicht als Spacer-Schicht 30 versehen. Bei dieser dicken Spacer-Schicht 30 sind Toleranzen der Ätztiefe akzeptabel; außerdem dient die Schicht als gemeinsame niederohmige Kontaktschicht für Laser und Photode­ tektor.

Eine n-dotierte Spacer-Schicht angrenzend an den Photodetek­ tor wie in dem erfindungsgemäßen Bauelement hat verschiedene Vorteile. Parasitäre Lichtabsorption durch freie Ladungsträ­ ger ist üblicherweise in n-leitend dotiertem Halbleitermate­ rial niedriger als in p-leitend dotiertem (zumindest für die Mehrzahl üblicherweise verwendeter Halbleitermaterialien). Z. B. ist im Materialsystem von AlGaAs bei 850 nm Wellenlänge die optische Absorption in p-dotiertem Material ungefähr um einen Faktor von 2,5 bis 3 höher als in n-dotiertem Material derselben Dotierstoffkonzentration. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung einer n-dotierten Spacer-Schicht angrenzend an den Photodetektor ist der entsprechend niedrigere ohmsche Wi­ derstand, der mit n-leitendem Halbleitermaterial im Vergleich zu p-leitendem Material erreicht wird. Das liegt an der höhe­ ren Beweglichkeit der Elektronen als der Löcher, z. B. um ei­ nen Faktor von etwa 20 in AlGaAs. Wenn ein pin-Photodetektor ohne zusätzlichen Tunnelübergang gefordert ist (d. h. ohne p⁺- n⁺-Übergang, der sich bei Polung in Gegenrichtung wie ein ohmscher Widerstand verhält), wird das DBR-Gitter auf ein p⁺- Substrat, vorzugsweise unter Verwendung einer Pufferschicht, die bei niedriger Temperatur hergestellt wird, aufgewachsen. Statt dessen kann ein konventioneller npn-Bipolarphoto­ transistor mit Basis auf floatendem Potential und gradierter Energiebandlücke (HBPT) als Photodetektor verwendet werden, wobei an den Photodetektor eine zusätzliche Spannung angelegt wird. Dieses Bauelement kann auf einem n-Substrat aufgewach­ sen werden. Alternativ kann auch eine Doppeldiodenstruktur mit gemeinsamer Anode (npn) oder gemeinsamem Tunnelkontakt (npp⁺n⁺np) als Detektor verwendet werden, wobei beide Photo­ dioden zu Kompensationszwecken unterschiedliche Absorptions­ eigenschaften aufweisen können. So ist durch interne oder ex­ terne Überlagerung der Photoströme eine Erhöhung des Kon­ trastverhältnisses möglich, wenn die detektierende Schicht (25) der ersten Photodiode in einem Schwingungsbauch und die detektierende Schicht der zweiten Photodiode im Schwingungs­ knoten der stehenden Welle liegt und beide Photoströme von­ einander abgezogen werden.

In Fig. 3 ist ein Ersatzschaltbild für eine grundsätzliche Struktur des erfindungsgemäßen Bauelementes mit integriertem pin-Photodetektor entsprechend Fig. 1 oder 2 dargestellt. Der obere Teil dieses Diagramms in Fig. 3 entspricht der in­ trinsischen Laserimpedanz, die in erster Linie durch den ohm­ schen Laserwiderstand R_A im Betrieb des Lasers parallel zu der effektiven Laserkapazität C_L bestimmt wird. Der untere Teil des Diagramms gibt die Kapazität C_D des Photodetektors parallel zur Stromquelle i_D für den Photostrom wieder. Der gemeinsame n-Kontakt hat einen Reihenwiderstand R_T, der durch den lateralen ohmschen Widerstand in der dicken n-dotierten Spacer-Schicht 30 bestimmt wird. Wesentliche dynamische Grö­ ßen sind die RC-Zeitkonstanten τ_L, τ_D des Lasers bzw. des Pho­ todetektors. Die letztere wird beeinflusst durch den externen Messwiderstand R_M und ist gleich τ_D = C_D(R_D + R_T + R_M). Bei kleinen vorhandenen Photodetektorbereichen kann eine kleine Photodetektorkapazität erzielt werden, aber in diesem Fall ist der innere Widerstand R_D größer (R_D = const/C_D), was einen zusätzlichen parasitären Spannungsabfall verursacht, der die lineare Eigenschaft des Photodetektors bei Betrieb mit klei­ nen oder verschwindend geringen Detektorspannungen V_D ver­ schlechtern kann.

Die intrinsische RC-Zeitkonstante für den Laser ist gegeben durch τ_L = R_AC_L. Abgesehen davon und von anderen intrinsi­ schen Größen, wie z. B. die Laserresonanzfrequenz und die Pho­ tonenlebensdauer, ist die Gesamtlaserimpedanz (R_L + R_A)/(C_L + R_T) eine sehr wichtige Größe, die parallel zu Kapazitäten einer Treiberschaltung oder eines modularen Auf­ baus auftritt und so klein wie möglich sein sollte, um die Verwendung billiger Lasertreiberschaltungen zu ermöglichen.

Im Falle niedriger Frequenzen oder verschwindendem C_D gibt die Beziehung R_T(C_L + R_T)/(R_L + R_A) den Anteil der Lasermodula­ tionsspannung wieder (parasitäre Wechselspannung am Kno­ ten 110), der parasitär auch am Photodetektor anliegt. Wenn ein Photodetektor mit einer stark spannungsabhängigen Emp­ findlichkeit verwendet wird, wie z. B. ein Phototransistor, sind ein kleiner Wert R_T und hohe anliegende Photodetektor­ spannungen zu bevorzugen.

Für elektrisches Übersprechen zwischen dem Laser und dem Pho­ todetektor bei hohen Frequenzen kann eine Kopplungszeitkon­ stante durch τ_coup = R_TC_D definiert werden. Bei einer Modula­ tionsfrequenz f = 1/(2πτ_coup) wird etwa die Hälfte der parasi­ tären Wechselspannung am Knoten 110 in den Widerstand R_D + R_M über die Photodetektorkapazität gekoppelt, und zwar dem Pho­ tostromsignal überlagert. Um die hochfrequenten Komponenten des Photostromes zu erfassen, wird ein kleiner Wert von τ_D benötigt. Aber der Spannungsabfall, der durch den Photostrom über die Widerstände R_D + R_M hervorgerufen wird, muß immer noch groß sein im Vergleich zu besagter parasitärer Wech­ selspannung, um das Übersprechen zu minimieren. Daher soll der laterale Widerstand R_T zur Erzeugung guter Modulationsei­ genschaften des Lasers und guter Hochfrequenzeigenschaften des Photodetektorsignales so gering wie möglich sein, auch wenn als Photodetektor eine pin-Photodiode hoher Qualität verwendet wird.

Die optische Dicke des Photodetektorbereiches einschließlich der dicken Spacer-Schicht im Vergleich zu der Laserwellenlän­ ge ist ebenfalls eine wichtige Größe. Sie bestimmt, ob der Photodetektor in dem Resonator die Laserintensität resonant beeinflusst oder nicht. Ein beliebiger Photodetektor kann ei­ ne dünne Absorptionsschicht an einer bestimmten Stelle inner­ halb des Musters der stehenden Welle des kohärenten Lichtes aufweisen. Eine erste Verbesserung der Detektionsempfindlich­ keit kann erzielt werden, indem nur das Maximum der Intensi­ tätsverteilung erfasst wird. Diese Verstärkung kann mittels des sogenannten Confinement-Faktors quantifiziert werden. Ei­ ne weitere Verstärkung ist möglich, wenn die Position des De­ tektors in den DBR-Gittern in der Nähe des aktiven Bereiches gewählt wird. In Fig. 4 ist die berechnete Feldverteilung für die kohärente Strahlung für eine spezielle Ausführungs­ form entsprechend Fig. 1 in der Nachbarschaft der dicken Spacer-Schicht dargestellt.

Um zu vermeiden, dass die Spacer-Schicht 30 eine unbeabsich­ tigte Resonanz in Bezug auf die Laserwellenlänge besitzt, sollte die Dicke der Spacer-Schicht in etwa ein ungerades Vielfaches eines Viertels der Laserwellenlänge betragen. Eine nicht resonante Spacer-Schicht hat den Vorteil einer geringen Abhängigkeit der Photodetektoreigenschaften, wie z. B. des An­ sprechverhaltens, von der genauen Dicke der Epitaxieschicht. Da bei dem erfindungsgemäßen Bauelement die Spacer-Schicht relativ dick ist im Vergleich zur Laserwellenlänge, ist eine genaue Einstellung der Dicke der Schicht sehr wichtig. Beim epitaktischen Aufwachsen der Schichten kann die Genauigkeit der Schichtdicke durch In-situ-Kontrolle verbessert werden. Die notwendige absolute Genauigkeit der Schichtdicke ist durch eine Schichtdicke bestimmt, die wesentlich unter einer Viertelwellenlänge liegt. Bei einem speziellen Ausführungs­ beispiel, wie es oben beschrieben wurde, führt eine Abwei­ chung von etwa ±13 nm von einer Gesamtdicke von 1,3 µm der Spacer-Schicht zu einer Streuung von etwa ±5% in der Photo­ detektorempfindlichkeit.

Fig. 5 zeigt ein vereinfachtes Energiebanddiagramm, für eine spezielle Ausführungsform mit gradierter Dotierung und Ener­ giebandlücke in der absorbierenden Schicht und den angrenzen­ den Schichten. Auf diese Weise kann die Absorption innerhalb der dünnen Absorptionsschicht als Folge der Dotierstoffkon­ zentration reduziert werden; und gleichzeitig kann parasitäre Rekombination der Ladungsträger vermieden werden, was zu niedrigeren Empfindlichkeiten des Detektors und höherem dif­ ferentiellem Wirkungsgrad des Lasers ohne Beeinträchtigung des Kontrastes gegen spontane Emission führt. Der pin- Photodetektor umfaßt einen p-dotierten Bereich 125, eine in­ trinsisch leitend dotierte Schicht 130, mit der die Photode­ tektorkapazität vermindert wird, und eine n-dotierte Schicht 150. Im Gegensatz zu herkömmlichen Potentialtopf-pin- Dioden, die an sich bekannt sind, ist hier die absorbierende Schicht 41 hoch n-leitend dotiert und in hoch n-leitend do­ tierte Schichten 135 und 145 eingebettet, um die optische Ab­ sorption zu vermindern. Z. B. ist für eine Reduktion der opti­ schen Absorption um mehr als einen Faktor 3 eine Dotierstoff­ konzentration von mehr als 2 × 10¹⁸ cm^-3 in InGaAs-Potential­ töpfen mit einem Indiumgehalt von wenigen Prozent erforder­ lich. Der Photostrom muss aus der hoch dotierten Zone gelei­ tet werden, um zu vermeiden, dass die Löcher 137 mit den Elektronen 147 rekombinieren. In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes haben die angrenzenden hoch dotierten Schichten ein Energiebandgrading, das zu einer Re­ duktion der Energiebandlücke und damit in der Richtung zu der intrinsisch dotierten Schicht 130 zu einer Reduktion der Dif­ ferenz zwischen dem Valenzband und dem Fermi-Niveau führt. Zusätzlich können asymmetrische Barrieren für die dünne ab­ sorbierende Schicht 140 verwendet werden, und zwar mit einer niedrigeren Barrierenhöhe in Richtung zur Schicht 135, wie in der Fig. 5 dargestellt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Elektronendichte in der dünnen absorbierenden Schicht 140 dadurch zu ändern, dass eine Photodetektorspannung angelegt wird in der Weise, dass die Verarmungszone in die absorbierende Schicht hinein reicht. Auf diese Weise kann der Absorptionsgrad durch die angelegte Spannung moduliert werden. Mittels geeigneter An­ passung der Dotierstoffkonzentration und der Dicke der Schicht 135 sowie der Schicht 130 können die Modulationstiefe und die DC-Vorspannung geändert werden.

Claims (11)

1. Optoelektronisches Bauelement als VCSEL mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht (47) zwi­ schen DBR-Gittern (15; 40, 50) als Reflektoren und einem mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht (25) versehenen Photo­ detektor innerhalb eines der DBR-Gitter, wobei die strah­ lungsabsorbierende Schicht (25) so angeordnet ist, dass sie mit einem Schwingungsbauch einer Lasermode der erzeugten Strahlung überlappt, dadurch gekennzeichnet, dass eine dicke und hoch dotierte Spacer-Schicht (30) zwischen der aktiven Schicht (47) und der absorbierenden Schicht (25) vor­ handen ist.

2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die strahlungsabsorbierende Schicht (25) eine Ener­ giebandkante aufweist, die geringfügig niedriger ist als die Photonenenergie der Lasermode.

3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Photodetektor (20, 25) und die Spacer-Schicht (30) bezüglich der Lasermode eine nicht-resonante optische Dicke haben, so dass eine elektrische Feldverteilung der Strahlung innerhalb der DBR-Gitter (15; 40, 50) unverändert bleibt.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Spacer-Schicht (30) eine Energiebandkante auf­ weist, die geringfügig höher ist als die Photonenenergie der Lasermode.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Spacer-Schicht (30) hoch n-leitend dotiert ist und mindestens eine Halbleiterschicht an die absorbierende Schicht (25) angrenzt und hoch n-leitend dotiert ist.

6. Bauelement nach Anspruch 5, bei dem mindestens eine an die absorbierende Schicht (25) an­ grenzende Halbleiterschicht eine Gradierung in der Energie­ bandlücke aufweist, so dass in einem zu der absorbierenden Schicht benachbarten Bereich die Energiebandlücke in Richtung zu der Spacer-Schicht (30) hin anwächst.

7. Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die strahlungsabsorbierende Schicht (25) innerhalb einer Verarmungsschicht oder nahe an einem n-dotierten Rand­ bereich einer Verarmungsschicht liegt und Mittel vorhanden sind, mit denen eine elektrische Spannung angelegt werden kann, um die Absorption in der absorbierenden Schicht (25) zu verändern.

8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor eine pin-Photodiode ist.

9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor ein Phototransistor aus der Gruppe von bipolarem Phototransistor und heterobipolarem Phototran­ sistor ist.

10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor aus zwei Photodioden besteht, die eine gemeinsame Anode (npn) oder eine gemeinsame Kathode (pnp) aufweisen.

11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor aus zwei Photodioden besteht, die einen gemeinsamen Tunnelkontakt (npp⁺n⁺np) aufweisen.