DE10055884C2 - Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung mit monolithisch integriertem Kontrollphotodetektor und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oberflächenemissi­ onslaser-Vorrichtung mit einem monolithisch integrierten Kontrollphotodetektor und ein Verfahren zu dessen Herstellung und insbesondere eine Oberflächenemissions­ laser-Vorrichtung mit einem monolithisch integrierten Kontrollphotodetektor, der mit einer automatischen Leistungssteuerungsschaltung kombiniert ist, wodurch er in der Lage ist, die Oberflächenemissionslaser-Ausgangs­ leistung genauer zu steuern. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung mit einem monoli­ thisch integrierten Kontrollphotodetektor.

Ein Oberflächenemissionslaser (SEL) als eine Lichtemis­ sionsvorrichtung ist bekannt. Ein Oberflächenemissionslaser ist so konfiguriert, dass Licht in eine Richtung emittiert wird, längs derer Halbleiterschichten gezüchtet werden. Auf einem einzelnen Substrat kann ein Feld von Ober­ flächenemissionslasern integriert werden. Ein solcher Oberflächenemissionslaser weist auch einen Vorteil darin auf, dass es überflüssig ist, ein optisches System für eine Korrektur der Form des emittierten Lichts zu verwenden, da das von einem Oberflächenemissionslaser emittierte Licht eine Kreisform aufweist und eine Intensität in der Form einer Gaußschen Normalverteilung zeigt.

Es ist wünschenswert, dass die Ausgangsleistung eines sol­ chen Oberflächenemissionslasers auf einer konstanten Intensität gehalten wird. Zu diesem Zweck ist es notwendig, einen Kontrollphotodetektor zu verwenden. Wenn ein solcher Kontrollphotodetektor in einem Oberflächenemissionslaser integriert ist, dann können die Herstellungskosten reduziert und gleichzeitig ein Feld von Oberflächen­ emissionslasern kontrolliert werden.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittansicht, einer Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung mit einem monolithisch integrierten Kontrollphotodetektor nach dem Stand der Technik.

Entsprechend der Fig. 1 weist die herkömmliche Oberflä­ chenemissionslaser-Vorrichtung einen Oberflächenemissions­ laser 10 zur Emission von Licht in eine Richtung auf, längs derer Halbleiterschichten gezüchtet werden, weist ferner einen Kontrollphotodetektor 60 auf, der auf dem Ober­ flächenemissionslaser 10 ausgebildet ist.

Der Oberflächenemissionslaser 10 weist auf: ein Substrat 12, eine Verstärkungsmediumschicht 42, zur Lichterzeugung, eine untere Spiegelschicht 32 und eine obere Spiegelschicht 34, die jeweils auf unteren und oberen Oberflächen der Verstärkungsmediumschicht 42 angeordnet sind, und dazu dienen, das von der Verstärkungsmediumschicht 42 erzeugte Licht in Resonanz zu bringen, und ein Laserfenster 82, das am oberen Abschnitt des Kontrollphotodetektors 60 ausgebildet ist, und dazu dient, daß das in Resonanz gebrachte Licht nach außen emittiert wird. Der Oberflächenemissionslaser 10 weist auch auf: eine erste Elektrode 22, die auf der unteren Oberfläche des Substrats 12 ausgebildet ist, eine zweite Elektrode 24, die auf der oberen Spiegelschicht 34 ausgebildet ist und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung zum Frei­ legen des mittleren Abschnitts versehen ist, und eine hochohmige Schicht 52, die zwischen der Verstärkungs­ mediumschicht 42 und der oberen Spiegelschicht 34 angeordnet und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung versehen ist. Die hochohmige Schicht 52 leitet Löcher, die von der zweiten Elektrode 24 geliefert werden so, daß sie zur Verstärkungsmediumschicht 42 durch ihre Öffnung fließen.

Wenn eine Vorwärtsvorspannung zwischen der ersten und zwei­ ten Elektrode 22 und 24 angelegt wird, findet eine Rekombi­ nation von Elektronen und Löchern in der Verstärkungsmediumschicht statt, so dass Licht erzeugt wird. Vom erzeugten Licht können nur jene Anteile bestehen bleiben, deren Wellenlängen eine Resonanzbedingung erfüllen, die durch die unteren und oberen Spiegelschichten 32 und 34 gegeben ist. Für das restliche Licht induziert die Verstärkungsmediumschicht 42, daß jenes mit derselben Wellenlänge und Phase emittiert wird, wodurch schließlich dieses Licht verstärkt wird. Das induzierte Emissionslicht, das heißt die Laserstrahlen, wird nach außen durch das Laserfenster 82 emittiert.

Der Kontrollphotodetektor 60 weist eine erste dotierte Halbleiterschicht 62, eine undotierte Halbleiterschicht 72, eine zweite dotierte Halbleiterschicht 64 und eine dritte Elektrode 26 zum Abgeben eines durch den Kontrollpho­ todetektor 60 detektierten Signals auf. Die ersten und zweiten dotierten Halbleiterschichten 62 und 64 weisen eine unterschiedliche Dotierungsart auf, wohingegen die erste dotierte Halbleiterschicht 62 dieselbe Dotierungsart wie die obere Spiegelschicht 34 aufweist.

Der Kontrollphotodetektor 60 absorbiert das vom Oberflä­ chenemissionslaser 10 emittierte Licht teilweise, wodurch er ein elektrisches Signal abgibt, das proportional zur Stärke des absorbierten Lichts ist. Das restliche, nicht durch den Kontrollphotodetektor 60 absorbierte Licht wird durch den Kontrollphotodetektor 60 durchgelassen, so daß es nach außen durch das Laserfenster 82 emittiert wird.

Das vom Kontrollphotodetektor 60 abgegebene Detektions­ signal ist proportional zur Ausgangsleistung des Oberflächenemissionslasers 10, die durch das Laserfenster 82 emittiert wird. Folglich ist es möglich, den Oberflächenemissionslaser 10 auf eine Ausgangsleistung einer konstanten Intensität zu steuern durch Rückkoppeln des Detektionssignals aus dem Kontrollphotodetektor 60, und durch Steuern des an den Oberflächenemissionslaser 10 angelegten Ansteuerungsstroms. Das heißt, dass der an die erste und zweite Elektrode 22 und 24 angelegte Ansteuerungsstrom das Ergebnis einer Steuerungsoperation einer automatischen Leistungssteuerungsschaltung ist, die auf dem Rückkopplungsdetektionssignal beruht. Alternativ kann die Ausgangsleistung des Oberflächenemissionslasers 10 entsprechend einer Variation des Ansteuerungsstroms variiert werden.

Andererseits emittiert der Oberflächenemissionslaser 10 nicht nur das Licht aus der stimulierten Emission, sondern auch aus einer spontanen Emission. Dieses Licht aus der spontanen Emission unterscheidet sich vom Licht der stimulierten Emission hinsichtlich der Eigenschaften darin, daß es aus gemischtem Licht unterschiedlicher Wellenlängen und unterschiedlicher Phasen besteht. Aus diesem Grund umfaßt das durch den Kontrollphotodetektor 60 detektierte Licht sowohl das Licht der induzierten Emission als auch das Licht der spontanen Emission. Dementsprechend wird das Detektionssignal des Kontrollphotodetektors 60 durch das Licht der spontanen Emission beeinflußt. Es ist aufgrund des Lichts der spontanen Emission schwierig, die Stärke des Lichts, das vom Oberflächenemissionslaser 10 emittiert wird, beruhend auf dem vom Kontrollphotodetektor 60 abgegebenen Detektionssignal genau zu steuern.

Aus der DE 198 07 783 A1 ist eine Oberflächenemissions­ laservorrichtung bekannt, bei welcher der unerwünschte Anteil der vom Photodetektor detektierten Strahlung aus der spontanen Emission dadurch vermieden werden soll, dass isolierende Schichten zwischen dem oberflächenemittierenden Laser und dem Photodetektor angeordnet werden.

Aus der EP 0803943 A2 ist es bekannt, die isolierenden Schichten zwischen einer Photodiode und einem oberflächen­ emittierenden Laser in der Mitte mit einer Öffnung zur Stromleitung zu versehen.

Die bekannten Lösungen sind jedoch unbefriedigend.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Oberflächen­ emissionslaser-Vorrichtung mit einem monolithisch inte­ grierten Kontrollphotodetektor bereitzustellen, der gewährleistet, dass ein Photostrom wirksam unterdrückt wird, der vom Licht der spontanen Emission herrührt, während er einen Photostrom, der vom Laserlicht herrührt, durch den Kontrollphotodetektor fließen läßt, wodurch eine genaue Steuerung der Lichtstärke erzielt wird, die von einem Oberflächenemissionslaser emittiert wird.

Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächen­ emissionslaser-Vorrichtung mit einem monolithisch integrierten Kontrollphotodetektor, der fähig ist, diese Aufgabe zu lösen, bereitgestellt.

Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung bereit mit einem Oberflächenemissionslaser, der aufweist: ein Substrat, eine untere Spiegelschicht, eine Verstärkungsmediumschicht und eine obere Spiegelschicht, die aufeinanderfolgend auf einer oberen Oberfläche des Substrats gezüchtet sind, eine erste Elektrode, die auf einer unteren Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode, die auf der oberen Spiegelschicht ausgebildet ist und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung zum Freilegen des mittleren Abschnitts versehen ist, wobei der Oberflächenemissionslaser dazu dient, Licht in eine Wachstumsrichtung der Schichten als Reaktion auf einen Ansteuerungsstrom zu emittieren, der an die erste und zweite Elektrode angelegt wird; und einen monolithisch integrierten Kontrollphotodetektor, der auf dem Abschnitt der oberen Spiegelschicht ausgebildet ist, der durch die Öffnung der zweiten Elektrode freiliegt, wobei der Kontrollphotodetektor dazu dient, teilweise das Licht zu absorbieren, das vom Oberflächenemissionslaser emittiert wird, wodurch ein Detektionssignal für das Licht abgegeben wird, wobei der Kontrollphotodetektor aufweist:
eine erste dotierte Halbleiterschicht, eine undotierte Halbleiterschicht und eine zweite dotierte Halbleiter­ schicht, die aufeinanderfolgend auf dem Abschnitt der oberen Spiegelschicht gezüchtet sind, der durch die zweite Elektrode freiliegt,
eine dritte Elektrode, die auf der zweiten dotierten Halbleiterschicht ausgebildet ist und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung zum Freilegen des mittleren Abschnitts der zweiten dotierten Halbleiter­ schicht versehen ist, und
untere und obere Isolationsschichten, die jeweils zwischen der ersten dotierten Halbleiterschicht und der undotierten Halbleiterschicht und zwischen der undotierten Halbleiterschicht und der zweiten dotierten Halbleiter­ schicht angeordnet sind, wobei jede der Isolationsschichten eine Öffnung an einem mittleren Abschnitt derselben aufweist, und dazu dient, einen Photostrom zu unterdrücken, der von einem Licht der spontanen Emission herrührt, das vom Oberflächenemissionslaser emittiert wird.

Vorzugsweise weist jede der ersten und zweiten dotierten Halbleiterschichten eine Anzahl gezüchteter Schichten auf. Die oberste der gezüchteten Schichten in der ersten dotierten Halbleiterschicht und die unterste der gezüchteten Schichten in der zweiten dotierten Halbleiter­ schicht bestehen aus Al_xGa_1-xAs, wobei gilt 0,95 ≦ x ≦ 1. Die unteren und oberen Isolationsschichten bestehen aus oxidiertem Al_xGa_1-xAs.

Bevorzugt weist die erste dotierte Halbleiterschicht eine Zn-dotierte Al_yGa_1-yAs-Schicht und eine Zn-dotierte-Al_xGa_1-xAs Schicht auf, die in dieser Reihefolge gezüchtet sind, wobei gilt 0,95 ≦ x ≦ 1 und 0 ≦ y ≦ 0,5. Die zweite dotierte Halb­ leiterschicht weist eine Si-dotierte Al_xGa_1-xAs-Schicht, eine Si-dotierte Al_yGa_1-yAs-Schicht und eine Si-dotierte GaAs Schicht auf, die in dieser Reihenfolge gezüchtet sind. Die unteren und oberen Isolationsschichten werden gebildet, indem jeweils die Zn-dotierte Al_xGa_1-xAs-Schicht und die Si- dotierte Al_xGa_1-xAs-Schicht lateral oxidiert werden.

Die Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung kann ferner eine hochohmige Schicht aufweisen, die zwischen der Verstärkungsmediumschicht und der oberen Spiegelschicht angeordnet ist und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung versehen ist, wobei die hochohmige Schicht dazu dient, Löcher so zu leiten, daß sie nur durch deren mittlere Öffnung fließen. Die hochohmige Schicht wird gebildet, indem Protonen in die obere Spiegelschicht implantiert werden, oder sie wird aus einem Oxid aus Al_xGa_1-xAs hergestellt, wobei gilt 0,95 ≦ x ≦ 1.

Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfin­ dung ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenemis­ sionslaser-Vorrichtung bereit, das die Schritte aufweist:
Aufeinanderfolgendes Züchten einer Zn-dotierten Al_yGa_1-yAs- Schicht und einer Zn-dotierten Al_xGa_1-xAs-Schicht, wobei 0,95 ≦ x ≦ 1 und 0 ≦ y ≦ 0,5 gilt, auf der oberen Spiegelschicht, wodurch eine erste dotierte Halbleiter­ schicht auf der oberen Spiegelschicht gebildet wird;
Bilden einer undotierten Halbleiterschicht, die aus GaAs besteht, auf der ersten dotierten Halbleiterschicht;
aufeinanderfolgendes Züchten einer Si-dotierten Al_xGa_1-xAs- Schicht, einer Si-dotierten AlyGa_1-yAs-Schicht und einer Si- dotierten GaAs-Schicht auf der undotierten Halbleiter­ schicht, wodurch eine zweite dotierte Halbleiterschicht auf der undotierten Halbleiterschicht gebildet wird; und
Naßoxidieren der Struktur, die nach der Bildung der zweiten dotierten Halbleiterschicht erhalten wird, um die Zn- dotierte Al_xGa_1-xAs-Schicht und die Si-dotierte Al_xGa_1-xAs- Schicht beginnend an den Seitenflächen derselben lateral zu oxidieren, während verhindert wird, daß mittlere Abschnitte derselben oxidiert werden, wodurch eine untere und eine obere Isolationsschicht gebildet werden.

In der erfindungsgemäßen Oberflächenemissionslaser-Vor­ richtung wird ein Photostrom, der von einem großen Teil des Lichts der spontanen Emission herrührt, der vom Oberflächenemissionslaser emittiert wird, durch strahlungs­ lose Rekombinationszentren entfernt, die an jeweiligen Grenzflächen zwischen der unteren Isolationsschicht und der undotierten Halbleiterschicht und zwischen der undotierten Halbleiterschicht und der oberen Isolationsschicht angeord­ net sind. Dementsprechend ist es möglich, die Lichtemission genau zu steuern, die von der Oberflächenemissionslaser- Vorrichtung durch das Laserfenster emittiert wird, durch Rückkoppeln eines Detektionssignals, das vom Kontroll­ photodetektor abgegeben wird, zum Steuern des an die Oberflächenemissionsschicht angelegten Ansteuerungsstroms über eine automatische Leistungssteuerungsschaltung.

Nachfolgend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen einer Oberflächenemissionslaservorrichtung näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht, die eine Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung mit einem monolithisch integrierten Kontrollphotodetektor nach dem bekannten Stand der Technik darstellt;

Fig. 2a eine Draufsicht einer Oberflächenemissionslaser- Vorrichtung mit einem monolithisch integrierten Kontrollphotodetektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2b eine Querschnittsansicht, die längs der Linie A-A' der Fig. 2a aufgenommen ist, und

Fig. 3a bis 3c jeweils graphische Darstellungen zur Bewertung des Effekts des Kontrollphotodetektors der Fig. 2b.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.

Die Fig. 2a und 2b stellen jeweils eine Oberflächenemis­ sionslaser-Vorrichtung mit einem monolithisch integrierten Kontrollphotodetektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Fig. 2a ist eine Draufsicht der Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung, wohingegen Fig. 2b eine Querschnittsansicht ist, die längs der Linie A-A' der Fig. 2a aufgenommen ist.

Bezugnehmend auf die Fig. 2a und 2b, weist die Oberflä­ chenemissionslaser-Vorrichtung einen Oberflächenemissions­ laser 110 zur Emission von Licht in eine Richtung, längs derer Halbleiterschichten gezüchtet sind, und einen Kontrollphotodetektor 160 auf, der auf dem Oberflächen­ emissionslaser 110 ausgebildet ist. Der Kontrollphoto­ detektor 160 dient dazu, teilweise Licht zu empfangen, das vom Oberflächenemissionslaser 110 emittiert wird, wodurch die Lichtmenge detektiert wird, die vom Oberflächen­ emissionslaser 110 emittiert wird.

Der Oberflächenemissionslaser 110 weist ein Substrat 112 aus mit Si dotiertem GaAs und eine Anzahl von Schichten auf, die aufeinanderfolgend auf dem Substrat 112 gezüchtet sind. Die gezüchteten Schichten umfassen eine untere Spiegelschicht 132, eine Verstärkungsmediumschicht 142 und eine obere Spiegelschicht 134. Der Oberflächenemis­ sionslaser 110 weist auch auf: eine erste Elektrode 122, die auf der unteren Oberfläche des Substrats 112 ausgebildet ist, eine zweite Elektrode 124, die auf der oberen Spiegelschicht 134 ausgebildet ist und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung zum Freilegen des mittleren Abschnitts versehen ist, und eine hochohmige Schicht 152, die zwischen der Verstärkungsmediumschicht 142 und der oberen Spiegelschicht 134 angeordnet ist und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung von 7 µm Durchmesser versehen ist.

Die untere Spiegelschicht 132 weist eine Mehrschicht­ struktur auf, die abwechselnde Schichten von Si-dotierten Al_0,9Ga_0,1As und Si-dotierten Al_0,3Ga_0,7As umfaßt, z. B. in 40 Perioden bzw. Paaren abwechselnder Schichten. Die obere Spiegelschicht 134 weist eine Mehrschichtstruktur auf, die abwechselnde Schichten aus C-dotierten Al_0,9Ga_0,1As und C- dotierten Al_0,3Ga_0,7As aufweist, z. B. in 28 Perioden. An­ dererseits weist die Verstärkungsmedium-Schicht 142 eine Mehrschichtstruktur auf, die abwechselnde Schichten aus Al_0,3Ga_0,7As und Al_0,11Ga_0,89As aufweist, die so gezüchtet sind, daß sie vier Quantenquellen bilden. Die hochohmige Schicht 152 leitet vermöge ihres hohen Widerstandes Löcher so, daß sie nur durch deren mittlere Öffnung fließen. Diese hochohmige Schicht 152 wird durch Implantieren von zum Beispiel Protonen, Wasserstoffkernen in die obere Spiegelschicht 134 oder durch Ablagern einer Al_xGa_1-xAs- Schicht und dann Oxidieren der abgelagerten Al_xGa_1-xAs- Schicht gebildet, mit Ausnahme eines mittleren Abschnitts derselben, wobei gilt 0,95 ≦ x ≦ 1.

Wenn eine Vorwärtsvorspannung zwischen der ersten und zwei­ ten Elektrode 122 und 124 angelegt wird, das heißt, wenn eine negative Spannung an die erste Elektrode 122 und eine positive Spannung an die zweite Elektrode 124 angelegt wird, dann findet eine Rekombination von Elektronen und Löchern in der Verstärkungsmediumschicht 142 statt, so daß Licht erzeugt wird. Vom erzeugten Licht können nur jene Teile übrigbleiben, deren Wellenlängen eine Resonanz­ bedingung erfüllen, die durch die unteren und oberen Spiegelschichten 32 und 34 gegeben ist. Für das restliche Licht bewirkt die Verstärkungsmediumschicht 142, daß jene Anteile mit derselben Wellenlänge und Phase emittiert werden, wodurch schließlich das Licht verstärkt wird. Das Licht der induzierten Emission, das heißt die Laserstrahlen, werden nach außen durch das Laserfenster 182 emittiert.

Der Kontrollphotodetektor 160 weist eine Anzahl von Halbleiterschichten auf, die aufeinanderfolgend auf dem Abschnitt der oberen Spiegelschicht 134 gezüchtet werden, der durch die Öffnung der zweiten Elektrode 124 freiliegt. Das heißt, der Kontrollphotodetektor 160 weist eine erste dotierte Halbleiterschicht 162, eine undotierte Halbleiter­ schicht 172 und eine zweite dotierte Halbleiterschicht 164 auf. Der Kontrollphotodetektor 160 weist auch eine dritte Elektrode 126, die auf der zweiten dotierten Halbleiter­ schicht 164 ausgebildet ist und mit einer Öffnung zum Frei­ legen des mittleren Abschnitts der zweiten dotierten Halbleiterschicht 164 versehen ist, und ein Paar Isolationsschichten auf, das heißt, eine untere Isolationsschicht 192 und eine obere Isolationsschicht 194, die jeweils zwischen der ersten dotierten Halbleiterschicht 162 und der undotierte Halbleiterschicht 172 und zwischen der undotierten Halbleiterschicht 172 und der zweiten dotierten Halbleiterschicht 164 angeordnet sind. Jede der Isolationsschichten 192 und 194 weist eine Öffnung an deren mittleren Abschnitt auf.

Die erste dotierte Halbleiterschicht 162 weist eine Zn- dotierte Al_0,3Ga_0,7As Schicht und eine Zn-dotierte AlAs- Schicht auf, die in dieser Reihenfolge gezüchtet sind. Die zweite dotierte Halbleiterschicht 164 weist eine Si- dotierte AlAs-Schicht auf, eine Si-dotierte Al_0,3Ga_0,7As- Schicht und eine Si- dotierte GaAs-Schicht, die in dieser Reihenfolge gezüchtet sind. Das heißt, jeweilige AlAs- Schichten der ersten und zweiten Halbleiterschichten 162 und 164 stehen in Kontakt mit den unteren und oberen Oberflächen der undotierten Halbleiterschicht 172. Die undotierte Halbleiterschicht 172 besteht aus GaAs.

Die unteren und oberen Isolationsschichten 192 und 194 werden durch laterales Oxidieren der Zn-dotierten AlAs- Schicht und der Si-dotierten AlAs-Schicht der ersten und zweiten Halbleiterschichten 162 und 164 gebildet, die jeweils die unteren und oberen Oberflächen der undotierte Halbleiterschicht 172 berühren, mit Ausnahme deren mittlerer Abschnitte. Um es zuzulassen, daß die undotierte Halbleiterschicht 172 empfindlicher auf die La­ serausgangsleistung vom Oberflächenemissionslaser 110 rea­ giert, werden die ersten und zweiten dotierten Halbleiter­ schichten 162 und 164 in ihrer Dicke so gesteuert, daß die undotierte Halbleiterschicht 172 an einer der Stellen maximaler interner Lichtintensität des Oberflächenemis­ sionslasers 110 angeordnet ist.

Der Kontrollphotodetektor 160 absorbiert teilweise das Licht, das vom Oberflächenemissionslaser 110 in einem Zustand emittiert wird, in dem eine Sperr-Vorspannung zwischen der zweiten und dritten Elektrode 124 und 126 angelegt ist, das heißt, wenn eine negative Spannung an die zweite Elektrode und eine positive Spannung an die dritte Elektrode angelegt ist. Der Kontrollphotodetektor 160 gibt dann an der dritten Elektrode 126 ein elektrisches Signal ab, das proportional zur Leistung des absorbierten Lichts ist. Das restliche, nicht durch den Kontrollphotodetektor 160 absorbierte Licht wird durch den Kontrollphotodetektor 160 durchgelassen, so daß es nach außen durch das Laserfenster 182 emittiert wird.

Der Oberflächenemissionslaser 110 emittiert nicht nur Licht der induzierten Emission, sondern auch der spontanen Emission. Jedoch werden Elektronen und Löcher, die in der undotierten Halbleiterschicht 172 infolge des Lichts der spontanen Emission erzeugt werden, durch strahlungslose Rekombinationszentren entfernt, die an jeweiligen Grenzflächen der unteren und oberen Isolationsschichten 192 und 194 benachbart zur undotierten Halbleiterschicht 172 angeordnet sind. Dementsprechend fließt nur der Strom, der von den Elektronen und Löchern herrührt, die in der undotierten Halbleiterschicht 172 infolge des Laserlichts erzeugt werden, durch die dritte Elektrode 126 durch die mittleren Abschnitte der ersten und zweiten dotierten Halb­ leiterschichten 162 und 164. Die mittleren Abschnitte der ersten und zweiten dotierten Halbleiterschichten 162 und 164 werden durch die Bezugsziffer 184 in Fig. 2a bezeichnet.

Als Ergebnis ist das vom Kontrollphotodetektor 160 abge­ gebene Detektionssignal proportional zur Stärke des Lichts der induzierten Emission, das heißt der Laserstrahlen, die durch das Laserfenster 182 emittiert werden. Beruhend auf der Größe der Lichtmenge, die durch den Kontrollphotodetektor 160 detektiert wird, ist es daher möglich, eine Variation der Intensität der Laserstrahlen zu messen, die durch das Laserfenster 182 emittiert werden. Dementsprechend wird das elektrische Signal, das beruhend auf der detektierten. Lichtleistung erhalten wird, zum Steuern eines Ansteuerungsstroms zur Oberflächenemissions­ schicht 110 über eine automatische Leistungssteuerungs­ schaltung rückgekoppelt. Folglich ist es möglich, die Lichtmenge genau zu steuern, die von der Oberflächen­ emissionslaser-Vorrichtung durch das Laserfenster 182 emittiert wird.

Die folgende Beschreibung wird in Verbindung mit einem Ver­ fahren zur Herstellung der Oberflächenemissionslaser- Vorrichtung mit dem monolithisch integrierten Kontroll­ photodetektor vorgenommen, der in den Fig. 2a und 2b dargestellt wird. Um eine wiederholte Beschreibung zu vermeiden, wird nur der Herstellungsprozeß des Kontrollphotodetektors 160 beschrieben, der sich vom herkömmlichen Kontrollphotodetektor unterscheidet.

Zuerst werden eine Zn-dotierte Al_0,3Ga_0,7As-Schicht und eine Zn-dotierte AlAs-Schicht aufeinanderfolgend auf der oberen Spiegelschicht 134 gezüchtet, wodurch die erste dotierte Halbleiterschicht 162 gebildet wird. Dann wird eine GaAs- Schicht auf der ersten dotierten Halbleiterschicht 162 gebildet, um die undotierte Halbleiterschicht 172 zu bilden. Anschließend werden eine Si-dotierte AlAs-Schicht, eine Si-dotierte Al_0,3Ga_0,7As-Schicht und eine Si-dotierte GaAs-Schicht in dieser Reihenfolge auf der undotierten Halbleiterschicht 172 gezüchtet, wodurch die zweite dotierte Halbleiterschicht 164 gebildet wird.

Gemäß einem durch die vorliegende Erfindung bevorzugten Verfahren wird die sich ergebende Struktur dann bei 450°C in einer solchen Weise naßoxidiert, daß die Zn-dotierte AlAs-Schicht der ersten dotierten Halbleiterschicht 162 und die Si-dotierte AlAs-Schicht der zweiten dotierten Halbleiterschicht 164 beginnend an deren Seitenflächen lateral oxidiert werden. Durch diese Naßoxidation werden die unteren und oberen Isolationsschichten 192 und 194 gebildet. Durch Einstellen der Oxidationszeit wird verhindert, daß die mittleren Abschnitte 184 der AlAs- Schichten oxidiert werden. Die Größe des mittleren Abschnitts 184 wird reduziert, wenn eine erhöhte Oxidationszeit verwendet wird.

Die Fig. 3a bis 3c sind jeweils graphische Darstellungen zur Bewertung der Wirkung des Kontrollphotodetektors 160 der Fig. 2b. In den Fig. 3a bis 3c werden die Ergebnisse dargestellt, die nach einer Messung von Variationen des Photostroms und der Oberflächenemissionslaser-Intensität in Abhängigkeit von einer Variation des Ansteuerungsstroms erhalten werden, wobei der Kontrollphotodetektor 160 zusammen mit einem getrennten äußeren Photodetektor verwendet wird. In jedem Fall wurde die Messung nach dem Anlegen eines Ansteuerungsstroms an den Oberflächen­ emissionslaser 110 über die ersten und zweiten Elektroden 122 und 124 durchgeführt. Fig. 3a ist mit dem Fall assoziiert, in dem die mittleren Abschnitte 184 der unteren und oberen Isolationsschichten 192 und 194 eine Größe von 2 µm aufweisen, wohingegen Fig. 3b mit dem Fall assoziiert ist, in dem die mittleren Abschnitte 184 eine Größe von 18 µm aufweisen. Andererseits ist Fig. 3c mit dem Fall assoziiert, in dem der Photodetektor ohne die unteren und oberen Isolationsschichten 192 und 194 ausgebildet ist.

In Fig. 3a zeigt die strichpunktierte Linie eine Variation des durch den Kontrollphotodetektor 160 gemessenen Photostroms, die durchgezogenen Linie zeigt eine durch den äußeren Photodetektor gemessene Variation der Oberflächen­ emissionslaser-Intensität. Bezugnehmend auf Fig. 3a, kann festgestellt werden, daß die Reaktion des Kontroll­ photodetektors 160 gut mit der Reaktion des äußeren Photodetektors übereinstimmt. Es kann auch festgestellt werden, daß der Photostrom, der durch den Kontroll­ photodetektor 160 beim Schwellenstrom des Oberflächen­ emissionslasers detektiert wird, 8 µA entspricht. Andererseits wird in den Fällen der Fig. 3b und 3c durch den Kontrollphotodetektor 160 ein Photostrom von 94 µA bzw. 118 µA beim Schwellenstrom des Oberflächenemissionslasers detektiert.

Es kann geschlußfolgert werden, daß die Oberflächenemissi­ onslaser-Vorrichtung mit dem monolithisch integrierten Kon­ trollphotodetektor, der die unteren und oberen Isolations­ schichten 192, 194 aufweist, eine überlegene Leistung auf­ weist, verglichen mit dem Fall, in dem der Kontroll­ photodetektor diese Isolationsschichten nicht aufweist. Es kann auch geschlußfolgert werden, daß der Fall, in dem der mittlere Abschnitt 184 jeder Isolationsschicht eine Größe von 2 µm aufweist, eine Leistung zeigt, die mehr als 10- fach gesteigert ist, verglichen mit dem Fall, in dem der mittlere Abschnitt 184 eine Größe von 18 µm aufweist.

Wie aus der obigen Beschreibung deutlich wird, wird in der Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung mit dem erfindungs­ gemäßen monolithisch integrierten Kontrollphotodetektor ein Photostrom, der sich aus einem großen Teil des Lichts der spontanen Emission ergibt, die vom Oberflächen­ emissionslaser 110 emittiert wird, durch strahlungslose Rekombinationszentren entfernt, die an jeweiligen Grenzflächen zwischen der unteren Isolationsschicht 192 und der undotierten Halbleiterschicht 172 und zwischen der undotierten Halbleiterschicht 172 und der oberen Iso­ lationsschicht 194 angeordnet sind. Dementsprechend ist es möglich, die Stärke des Laserstrahls genau zu steuern, der von der Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung durch das Laserfenster 182 emittiert wird, indem ein Detektions­ signal, das vom Kontrollphotodetektor 160 abgegeben wird, zur Steuerung des Ansteuerungsstroms über die automatische Leistungssteuerungsschaltung rückgekoppelt wird.

Claims (7)

1. Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung
mit einem Oberflächenemissionslaser, der aufweist: ein Substrat, eine untere Spiegelschicht, eine Verstärkungs­ mediumschicht und eine obere Spiegelschicht, die aufeinanderfolgend auf einer oberen Oberfläche des Substrats gezüchtet sind, eine erste Elektrode, die auf einer unteren Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, und eine zweite Elektrode, die auf der oberen Spiegelschicht ausgebildet ist und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung zum Freilegen des mittleren Abschnitts versehen ist, wobei der Oberflächenemissionslaser dazu dient, Licht in eine Wachstumsrichtung der Schichten als Reaktion auf einen Ansteuerungsstrom zu emittieren, der an die erste und zweite Elektrode angelegt wird; und
mit einem monolithisch integrierten Kontroll­ photodetektor, der auf dem Abschnitt der oberen Spiegelschicht ausgebildet ist, der durch die Öffnung der zweiten Elektrode freiliegt, wobei der Kontrollphotodetektor dazu dient, teilweise das Licht zu absorbieren, das vom Oberflächenemissionslaser emittiert wird, wodurch ein Detektionssignal für das Licht abgegeben wird,
wobei der Kontrollphotodetektor aufweist:
eine erste dotierte Halbleiterschicht, eine undotierte Halbleiterschicht und eine zweite dotierte Halbleiter­ schicht, die aufeinanderfolgend auf dem Abschnitt der oberen Spiegelschicht gezüchtet sind, der durch die zweite Elektrode freiliegt,
eine dritte Elektrode, die auf der zweiten dotierten Halbleiterschicht ausgebildet ist und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung zum Freilegen des mittleren Abschnitts der zweiten dotierten Halb­ leiterschicht versehen ist, und untere und obere Isolationsschichten, die jeweils zwischen der ersten dotierten Halbleiterschicht und der undotierten Halbleiterschicht und zwischen der undotierten Halblei­ terschicht und der zweiten dotierten Halbleiterschicht angeordnet sind, wobei jede der Isolationsschichten eine Öffnung an einem mittleren Abschnitt derselben aufweist und dazu dient, einen Photostrom zu unterdrücken, der von einem Licht der spontanen Emission herrührt, das vom Oberflächenemissionslaser emittiert wird.

2. Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede der ersten und zweiten dotierten Halbleiterschichten eine Anzahl gezüchteter Schichten aufweist; wobei die oberste der gezüchteten Schichten in der ersten dotierten Halbleiterschicht und die unterste der gezüchteten Schichten in der zweiten dotierten Halbleiterschicht aus Al_xGa_1-xAs bestehen, und wobei die unteren und oberen Isolationsschichten aus oxidiertem Al_xGa_1-xAs bestehen, wobei 0,95 ≦ x ≦ 1 gilt.

3. Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste dotierte Halbleiterschicht eine Zn-dotierte Al_yGa_1-yAs-Schicht und eine Zn-dotierte Al_xGa_1-xAs-Schicht aufweist, die in dieser Reihenfolge gezüchtet sind, und dass die untere Isolationsschicht durch teilweises Oxidieren der Zn-dotierten Al_xGa_1-xAs-Schicht gebildet ist, wobei 0,95 ≦ x ≦ 1 und 0 ≦ y ≦ 0,5 gilt.

4. Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite dotierte Halbleiterschicht eine Si-dotierte Al_xGa_1-xAs-Schicht, eine Si-dotierte Al_yGa_1-yAs-Schicht und eine Si-dotierte GaAs-Schicht aufweist, die in dieser Reihenfolge gezüchtet sind, und dass die obere Isolationsschicht durch laterales Oxidieren der Si- dotierten Al_xGa_1-xAs-Schicht gebildet ist, wobei 0,95 ≦ x ≦ 1 und 0 ≦ y ≦ 0,5 gilt.

5. Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine hochohmige Schicht, die zwischen der Verstärkungsmediumschicht und der oberen Spiegelschicht angeordnet und an einem mittleren Abschnitt derselben mit einer Öffnung versehen ist, vorgesehen ist, wobei die hochohmige Schicht dazu dient, Löcher so zu leiten, dass sie nur durch deren mittlere Öffnung fließen.

6. Oberflächenemissionslaser-Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hochohmige Schicht durch Implantieren von Protonen in die obere Spiegelschicht gebildet ist oder aus einem Oxid von Al_xGa_1-xAs besteht, wobei 0,95 ≦ x ≦ 1 gilt.

7. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächen­ emissionslaser-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Schritte vorgesehen sind:

• - aufeinanderfolgendes Züchten einer Zn-dotierten Al_yGa_1-yAs-Schicht und einer Zn-dotierten Al_xGa_1-xAs- Schicht, wobei 0,95 < x < 1 und 0 < y < 0,5 gilt, auf der oberen Spiegelschicht, wodurch eine erste dotierte Halbleiterschicht auf der oberen Spiegelschicht gebildet wird;
• - Bilden einer undotierten Halbleiterschicht, die aus GaAs besteht, auf der ersten dotierten Halbleiterschicht;
• - aufeinanderfolgendes Züchten einer Si-dotierten Al_xGa_1-xAs-Schicht, einer Si-dotierten Al_yGa_1-yAs-Schicht und einer Si-dotierten GaAs-Schicht auf der undotierten Halbleiterschicht, wodurch eine zweite dotierte Halbleiterschicht auf der undotierten Halbleiterschicht gebildet wird; und
• - Naßoxidieren der Struktur, die nach der Bildung der zweiten dotierten Halbleiterschicht erhalten wird, um die Zn-dotierte Al_xGa_1-xAs-Schicht und die Si-dotierte Al_xGa_1-xAs-Schicht beginnend an den Seitenflächen derselben lateral zu oxidieren, während verhindert wird, daß mittlere Abschnitte derselben oxidiert werden, wodurch eine untere und eine obere Isolationsschicht gebildet werden.