DE102010000733A1

DE102010000733A1 - Halbleitervorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Licht

Info

Publication number: DE102010000733A1
Application number: DE102010000733A
Authority: DE
Inventors: Chen San Jose Ji; Laura Sunnyvale Giovane
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Broadcom International Pte Ltd
Priority date: 2009-01-24
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2010-07-29
Also published as: US7929588B2; US20100189147A1

Abstract

Es werden Halbleitervorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Licht in einer Halbleitervorrichtung erfunden und offenbart. Das Verfahren weist auf die Schritte des Bildens eines Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers einschließlich einer aktiven Region und einer Oxidschicht, wobei die aktive Region getrennt von der Oxidschicht ist und konfiguriert ist, um Licht als Antwort auf einen injizierten Strom zu erzeugen und des Einführens einer Implantationsschicht angrenzend und unterhalb der Oxidschicht, um den injizierten Strom auf eine Region der Vorrichtung zu begrenzen, wo Ladungsträger kombinieren, um Licht zu emittieren. Die Halbleitervorrichtung weist eine Implantationsschicht zwischen der Oxidschicht und der aktiven Region auf. Die Implantationsschicht verhindert ein laterales Entweichen von Strom von einem Anregen einer Region der Vorrichtung, wo Ladungsträger kombinieren, um Licht zu erzeugen.

Description

HINTERGRUND
Direkt modulierte Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) haben sich zu einer Standardtechnologie für Anwendungen in Local Area Networks (LAN) und Speichernetzwerken (storage area networks – SANs) entwickelt. VCSEL bieten eine Reihe von Vorteilen einschließlich eines gewünschten Schwellenstroms, eines gewünschten Divergenzwinkels und einer gewünschten Strahlkonfiguration. Die Eigenschaft der Oberflächenemission von VCSEL erlaubt, dass die Vorrichtungen in zweidimensionalen Anordnungen hergestellt werden, und ermöglicht ein Testen auf Waferebene. Daher sind VCSEL nicht nur effizient im Betrieb, sie sind ebenso bei relativ geringen Herstellungskosten relativ einfach herzustellen. Diese Vorteile machen VCSEL ideal geeignet für in Massenserien produzierte, für kostengünstige und für kurzreichweitige Datenkommunikationsverbindungen.
Für optische Kommunikationsanwendungen ist eine große Modulationsbandbreite erwünscht. Unterstützungsfähige Datenraten hängen direkt von der Modulationsbandbreite ab. Gegenwärtig sind VSEL kommerziell erhältlich, welche eine Datenrate von 10 Gb/sec unterstützen. Für die nächste Generation von VCSEL Anwendungen werden Datenraten von 17 Gb/sec und darüber hinaus erwünscht. Grundsätzliche Faktoren, welche die Datenrate von VCSEL Vorrichtungen beeinflussen, schließen die Relaxationsoszillationsfrequenz, optische Nichtlinearitäten und parasitäre Schaltungseffekte ein. Parasitäre Schaltungseffekte sind die direkte Folge von Vorrichtungswiderstand und -kapazität. Dementsprechend beinhaltet ein Schlüsselgebiet von VCSEL Designoptimierungen Techniken zum Reduzieren von Widerstand und zum Minimieren der Kapazität in einem VCSEL.
Üblicherweise wird eine Halbleiter-basierte Licht emittierende Vorrichtung wie ein VCSEL durch ein epitaktisches Wachsen von Halbleitermaterialschichten über einem Substrat gebildet. Herkömmliche Techniken zum Minimieren des Vorrichtungswiderstandes beinhalten eine Optimierung des Vorrichtungswiderstandes durch Dotieren der verschiedenen epitaktisch gewachsenen Halbleitermaterialschichten. Existierende VCSEL Designs beinhalten ebenso eine relativ dicke dielektrische Schicht unterhalb eines Kontaktpads und eine Isolierungsimplantierung um das Halbleitermaterial zwischen dem elektrischen Kontakt und der aktiven Region des VCSEL elektrisch isolierend zu machen, wodurch parasitäre Kapazitäten bis auf vernachlässigbare Werte reduziert werden können, die mit dem Kontaktpad verknüpft sind. Herkömmliche VCSEL Anordnungen beinhalten ferner eine Oxidschicht zum optischen Index Führen (optical index guiding) und zu einer Stromeinengung in der Region, in der Ladungsträger innerhalb des VCSEL kombinieren um Licht zu erzeugen. Sowohl die Isolierungsimplantierung als auch die Oxidschicht werden von Materialzusammensetzungen gebildet, die isolieren oder die den injizierten Strom innerhalb des VCSEL einengen. Ein herkömmlicher VCSEL ist in 1 dargestellt.
Der herkömmliche VCSEL 10 ist eine Halbleitervorrichtung mit einer aktiven Region 14, welche zwischen vertikal gestapelten Spiegeln, allgemein als verteilte Bragg Reflektoren (distributed Bragg reflectors – DBRs) oder Bragg Spiegel bekannt, angeordnet ist. Die aktive Region 14 grenzt an einen n-Typ DBR 12 entlang einer unteren Oberfläche und an einen p-Typ DBR 18 entlang eines Teils einer oberen Oberfläche der aktiven Region 14 an. Die aktive Region 14 beinhaltet Quantenmulden (nicht dargestellt), welche in der Gegenwart eines injizierten Stroms in einer Stärke, welche einen Schwellenwert oder einen VCSEL Schwellenstrom erreicht oder überschreitet, Licht erzeugt. Die Quantenmulden sind zusammengesetzt aus dünnen Schichten aus Halbleitermaterialien, welche sich in der Energie der Bandlücken unterscheiden. Jeder DBR oder Spiegel ist eine Struktur, die aus mehreren Schichten aus alternierenden Materialien mit variierendem Brechungsindex besteht. Jede Schichtgrenzfläche bewirkt eine partielle Reflexion von dem Licht, welches von der aktiven Region 14 emittiert wird. Für Licht, welches eine Wellenlänge hat, die nahe bei vier mal der optischen Dicke der Schichten ist, kombinieren mehrere Reflexionen zu einer konstruktiven Interferenz und die Schichten bilden einen qualitativ hochwertigen Reflektor. Um ein gewünschtes Reflexionsvermögen zu erreichen, kann die Anzahl von Halbleiter- oder dielektrischen Schichten, die jeden der DBRs bilden, recht hoch sein. Eine Isolierungsschicht 15 umgibt den p-Typ DBR 18 und befindet sich zwischen einem p-Typ Metallkontakt 11 und einer Oxidschicht 16. Die Isolierungsschicht 15, welche durch eine Implantierung von Ionen aus Wasserstoff, Sauerstoff oder anderen Elementen gebildet werden kann, begrenzt die Kontaktoberfläche an dem Übergang von dem p-Typ DBR 18 und dem p-Typ Metallkontakt 11 und separiert den p-Typ Metallkontakt von der aktiven Region 14. Eine dielektrische Schicht 13, welche zwischen dem p-Typ Metallkontakt 11 und der Isolierungsschicht 15 angeordnet ist, begrenzt die Menge von p-Typ Material in dem VCSEL 10 und separiert ferner einen Abschnitt des p-Typ Metallkontakts 11 von der aktiven Region 14. Die Oxidschicht 16 befindet sich unterhalb der Isolierungsschicht 15 und erstreckt sich lateral über die Isolierungsschicht 15 hinaus in den p-Typ DBR 18 in Richtung der Mitte des VCSEL 10. Ein Loch in der Isolierungsschicht 15 definiert eine Isolierungsblendenöffnung 24, welche der Breite des p-Typ DBRs entspricht. Ein Loch in der Oxidschicht 16 definiert eine Blendenöffnung 20, durch welche injizierter Strom von dem p-Typ DBR 18 zu der aktiven Region 14 fließt. Um zusätzlich den Stromfluss durch die Region des VCSEL 10, welche durch die Blendenöffnung 20 definiert ist, einzuengen, weist die Oxidschicht 16 einen unterschiedlichen Brechungsindex als die Halbleitermaterialien auf, die zum Bilden des p-Typ DBR 18 verwendet werden. Zum Beispiel kann der Brechungsindex des p-Typ DBR ungefähr 3,3 sein und der Brechungsindex der Oxidschicht 16 kann ungefähr 1,5 sein. Als Ergebnis schafft die Oxidschicht 16 eine Brechungsindexführung in lateraler Richtung in der Region 19 von der optischen Mode, die durch die Vorrichtung gekennzeichnet ist.
Die Oxidschicht 16 kann gebildet werden durch ein Oxidieren einer Halbleitermaterialschicht, welches eine ausreichende Menge eines Elements beinhaltet, welches leicht oxidierbar ist. Zum Beispiel ist Aluminium (Al) ein Element, welches regelmäßig zu Halbleitermaterialschichten dazugegeben wird, um eine Oxidation einer Aluminium enthaltenden Schicht zu fördern. Im Allgemeinen wird, um eine Aluminiumoxidschicht zu bilden, eine Aluminium enthaltende Halbleiterschicht gewachsen und dann in einer oxidierenden Atmosphäre wie zum Beispiel eine Atmosphäre mit einem hohen Anteil an Wasserdampf aufgeheizt. Die oxidierende Atmosphäre oxidiert die exponierten Bereiche von jedem Material, welches einen signifikanten Anteil an Aluminium aufweist.
In den VCSEL 10 injizierter Strom, wie durch die Pfeile 26 dargestellt, fließt von dem p-Typ Metallkontakt 11 in den p-Typ DBR 18. Die Isolierungsschicht 15 und die Oxidschicht 16 sind nicht leitend kanalisieren den Strom in Richtung zu der Blendenöffnung 20 in der optischen Region 19. Wenn der in den VCSEL 10 injizierte Strom einen Schwellenstrom übersteigt, rekombinieren Elektronen und Löcher und emittieren in der optischen Region 19 Photonen. Licht wird von einer relativ kleinen Fläche auf der Oberfläche des VCSEL 10 direkt oberhalb oder unterhalb der aktiven Region 14 emittiert. Der VCSEL 10 emittiert das in der aktiven Region 14 erzeugte Licht durch einen von dem p-Typ DBR 18 oder dem n-Typ DBR 12 abhängig davon, welcher ein geringeres Reflexionsvermögen als der andere aufweist. In der dargestellten Ausführungsform ist das Reflexionsvermögen des p-Typ DBR 18 geringer als das Reflexionsvermögen des n-Typ DBR 12. Dementsprechend wird Licht von dem VCSEL 10 in der Aufwärtsrichtung emittiert, wie durch den Pfeil 25 angezeigt.
Wie in 1 dargestellt, befindet sich die Oxidschicht 16 nicht in Kontakt mit der aktiven Region 14. Eine dickere Oxidschicht, welche sich in Richtung der aktiven Region 14 erstreckt, würde die Kapazität des VCSEL 10 aufgrund der signifikant geringeren dielektrischen Konstante des oxidierten Materials verglichen mit der dielektrischen Konstante der anderen Schichten des Halbleiters reduzieren. Jedoch führen solch relativ dicke Oxidschichten zu einem Übermaß an Streuverlusten, welche signifikant die Effizienz und den Wirkungsgrad der Vorrichtung reduzieren. Eine dickere Oxidschicht bringt ebenso ein Übermaß an mechanischer Spannung in die Vorrichtung ein, welche zu einer dürftigen Langzeitzuverlässigkeitsleistung (long term reliability perfomance) führt. Für die optische Leistung befindet sich die Oxidschicht bei einem Nulldurchgang der stehenden Welle in dem p-Typ DBR 18. Folglich weist der VCSEL 10 eine Öffnung 17 zwischen der obersten Oberfläche der aktiven Region 14 und der untersten Oberfläche der Oxidschicht 16 auf. Im Allgemeinen hat die Öffnung 17 oder die vertikale Beabstandung zwischen der aktiven Region 14 und der Oxidschicht 16 eine Größenordnung von 2000 bis 3000 Angström. Obwohl die Öffnung 17 relativ klein ist, schafft die Öffnung 17 einen lateralen Verlustpfad unterhalb der Oxidschicht 16 und oberhalb der aktiven Region 14. Der laterale Verluststrom, welcher durch die Pfeile 30 dargestellt ist, führt zu einer ladungsgepumpten (charge pumped) Region außerhalb der optischen Region 19. Die ladungsgepumpte Region außerhalb der optischen Region 19 steigt monoton mit der Menge des in den VCSEL 10 injizierten Stroms oder der in den VCSEL 10 injizierten Ladung an. Dementsprechend trägt die unbeabsichtigte Speicherung von Ladung außerhalb der Region 19 zu der Übergangskapazität des VCSEL 10 bei, welche die Modulationsbandbreite und die unterstützbare Datenrate einer konventionellen VCSEL Vorrichtung beschränkt.
Konische Oxidschichten wurden eingeführt, um Streuverluste und eine nicht lineare Dämpfung in VCSEL zu reduzieren, welche aus einer Wechselwirkung zwischen einer nicht gleichmäßigen lateralen Ladungsträgerverteilung und einer nicht gleichmäßigen lateralen Photonenverteilung resultieren. Es wurde gezeigt, dass eine konische Oxidschicht, die in der Region 19 am dünnsten ist und an den seitlichen Grenzen des VCSEL am dicksten ist, die Modulationsbandbreite verbessert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform einer Licht emittierende Halbleitervorrichtung weist eine aktive Region, eine Oxidschicht und eine Implantationsschicht auf. Die aktive Region ist eingerichtet zum Erzeugen von Licht als Antwort auf eine injizierte Ladung. Die Oxidschicht ist eingerichtet zum Lenken von injizierter Ladung in die aktive Region. Die Implantationsschicht ist zwischen der Oxidschicht und der aktiven Region angeordnet. Die Implantationsschicht begrenzt die injizierte Ladung auf eine Region der Vorrichtung, wo Ladungsträger kombinieren um Licht zu emittieren.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen von Licht weist auf die Schritte des Bildens eines Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers einschließlich einer aktiven Region und einer Oxidschicht, wobei die aktive Region getrennt von der Oxidschicht ist und konfiguriert ist, um Licht als Antwort auf einen injizierten Strom zu erzeugen, und des Einführens einer Implantationsschicht angrenzend und unterhalb der Oxidschicht, um den injizierten Strom auf eine Region der Vorrichtung zu begrenzen, wo Ladungsträger kombinieren um Licht zu emittieren.
Die Figuren und die detaillierte Beschreibung, die folgen, sind nicht abschließend. Die offenbarten Ausführungsformen sind illustriert und beschrieben um jemanden mit einem durchschnittlichen Können zu befähigen, die beanspruchten Halbleitervorrichtungen herzustellen und die beanspruchten Verfahren zum Erzeugen von Licht zu benutzen. Andere Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile der Vorrichtungen und der Verfahren sind offensichtlich oder werden für diejenigen, die auf dem Gebiet Fachleute sind, nach einer Betrachtung der folgenden Figuren und der detaillierten Beschreibung offensichtlich werden. Alle diese zusätzlichen Ausführungsformen, Merkmale und Vorteile liegen innerhalb des Schutzbereiches der Vorrichtungen und der Verfahren, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Licht emittierenden Halbleitervorrichtungen und die Verfahren zum Erzeugen von Licht können mit Bezugnahme auf die folgenden Figuren einfacher verstanden werden. Die Komponenten innerhalb der Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; Betonung wird stattdessen darauf gelegt, die Prinzipien zum Verhindern eines lateralen Verluststroms vom Verlassen einer Region der Vorrichtung zu verdeutlichen, wo Ladungsträger kombinieren um Licht zu erzeugen. Außerdem bezeichnen in den Figuren in unterschiedlichen Ansichten gleiche Bezugszeichen einander korrespondierende Teile.
1 ist eine Querschnittansicht einer konventionellen VCSEL Vorrichtung.
2 ist eine Querschnittansicht einer Ausführungsform einer verbesserten VCSEL Vorrichtung.
3 ist eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer verbesserten VCSEL Vorrichtung.
4 ist ein Diagramm, welches eine Übergangskapazität und einen Vorspannungsstrom (biasing current) in einer Steuervorrichtung für verschiedene Anordnungen der Implantationsblendenöffnung in der verbesserten VCSEL Vorrichtung gemäß 2 illustriert.
5 ist ein Diagramm, welches eine kleine Signal-Modulationsbandbreite für ausgewählte Anordnungen der Implantationsblendenöffnung in der verbesserten VCSEL Vorrichtung gemäß 2 illustriert.
6 ist ein Flussdiagram einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen von Licht.
DETAILLIERTE BESCREIBUNG
Bei kommerziell erhältlichen VCSEL Designs werden eine relativ dicke dielektrische Schicht unter einem Kontaktpad und eine Isolierungsimplantierung verwendet, um die Vorrichtungskapazität zu optimieren (d. h. zu reduzieren). Folglich ist die Kapazität des in Durchlassrichtung vorgespannten p-n Übergangs ein limitierender Faktor für VCSEL Designs, die eine Oxidschicht verwenden. Die Kapazität des p-n Übergangs ist abhängig von Ladungsträgern in dem p-n Übergang. Wenn ein injizierter Strom einen Schwellenwert erreicht oder übersteigt, emittiert der VCSEL Licht. Theoretisch ist die Dichte der Ladungsträger in der aktiven Region des VCSEL festgehalten oder begrenzt für injizierte Vorspannungsströme (biasing currents) mit oder über dem Schwellenstrom. Es wurde jedoch bestätigt, dass die Kapazität des p-n Übergangs weiter monoton ansteigt für injizierte Ströme, welche den Schwellenstrom übersteigen. Der Pfad des lateralen Verluststroms unterhalb der Oxidschicht in herkömmlichen VCSEL Designs führt zu einer ungewollten Ladungsspeicherung außerhalb der Region, wo Ladungsträger kombinieren um Licht zu erzeugen. Die Dichte der Ladungsträger in Regionen außerhalb der optischen Region (wo die Vorrichtung Licht emittiert), ist nicht bei der Laserschwelle festgehalten und resultiert mit steigendem Vorspannungsstrom (biasing current) in einer ansteigenden Menge von gespeicherter Ladung. Konische Oxidschichten, welche vorgeschlagen wurden, um Streuverluste und ein nicht lineares Dämpfen in VCSEL zu reduzieren, verhindern einen lateralen Verluststrom nicht. Die ungewollte Ladungsspeicherung, welche aus dem Verluststrom resultiert, trägt zu der Kapazität des p-n Übergangs bei. In Kombination reduzieren der Verluststrom mit dem verknüpften nicht linearen Dämpfungseffekt, welcher von der Wechselwirkung zwischen einer nicht gleichmäßigen lateralen Ladungsträgerverteilung und einer nicht gleichmäßigen lateralen Photonenverteilung resultiert, und die erhöhte Kapazität des p-n Übergangs die Effizienz und die aufrechthaltbare Datenrate und Modulationsbandbreite der Vorrichtung.
Die Licht emittierenden Halbleitervorrichtungen oder verbesserte VCSEL weisen unter einer Oxidschicht eine Implantationsschicht auf. Die Implantationsschicht weist implantierte Ionen (zum Beispiel Wasserstoff, Sauerstoff, etc.) auf, welche die Schicht zu einem elektrischen Isolator machen. In einer Ausführungsform füllt die Implantationsschicht den Hohlraum oder die Öffnung zwischen der untersten Oberfläche der Oxidschicht und der obersten Oberfläche der aktiven Region auf. In einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich die Implantationsschicht vertikal in eine aktive Region in einen signifikanten Abschnitt der Region unterhalb der Oxidschicht. Obwohl die Implantationsschichten in den illustrierten Ausführungsformen eine Schnittstelle mit den p-Typ DBR aufweisen, welche mit rechten Winkeln dargestellt ist, sollte verstanden werden, dass bekannte Techniken zum Implantieren von Ionen von einem gewünschten Element eine runde Kante an der Schnittstelle des p-Typ DBR ergeben. Die Integration der Implantationsschicht verhindert, dass ein lateraler Verluststrom die Region der Vorrichtung verlässt, wo Ladungsträger kombinieren um Licht zu erzeugen. Das Einführen der Implantationsschicht unter der Oxidschicht reduziert und stabilisiert auf signifikante Weise die Kapazität des p-n Übergangs für VCSEL Vorrichtungen, die von Vorspannungsströmen (biasing currents), welche den Schwellenstrom für einen VCSEL überschreiten, angetrieben werden. Wie in Verbindung mit den Zeichnungen genauer erklärt wird, ergibt eine Verkleinerung der Implantationsblendenöffnung auf einen Abstand von ungefähr 13 μm (für einen VCSEL mit einer nominalen 9 μm Oxidblendenöffnung) eine entsprechende Verringerung der Kapazität des p-n Übergangs.
Außerdem reduziert das Einführen der Implantationsschicht unter der Oxidschicht den Schwellenstrom durch Einengen des injizierten Stroms in eine Region der Vorrichtung, wo Ladungsträger kombinieren um Licht zu erzeugen. Ferner reduziert das Einführen der Implantationsschicht unter der Oxidschicht den nicht linearen Dämpfungseffekt, welcher aus einer Wechselwirkung zwischen einer nicht gleichmäßigen transversalen optischen Population und einer nicht gleichmäßigen transversalen Ladungsträger Population resultiert, durch ein Einengen des injizierten Stroms auf den zentralen Abschnitt des transversalen optischen Feldes.
Zuwendend nun zu den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile bezeichnen, wird auf 2 Bezug genommen, welche eine Querschnittansicht einer Ausführungsform einer verbesserten VCSEL Vorrichtung darstellt. Der verbesserte VCSEL 100 ist eine herstellbare Halbleitervorrichtung, welche auf einer Basis oder einem Substrat (nicht dargestellt) errichtet ist, wobei herkömmliche Techniken (zum Beispiel Metall organische chemische Dampfabscheidung (metal organic chemical vapor deposition – MOCVD), Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy – MBE), chemische Strahlepitaxie (chemical beam epitaxy – CBE) oder ähnliches) verwendet werden. Im Allgemeinen kann das Substrat aus jedem geeigneten Halbleitermaterial wie zum Beispiel Galliumarsenid, Indiumphosphat, Silizium, Saphir oder ähnlichem bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat aus Galliumarsenid hergestellt, wodurch ein nachfolgendes Aufwachsen von zusätzlichem Galliumarsenid und Derivaten erleichtert wird. Wie in 2 illustriert, ist der verbesserte VCSEL 100 durch ein Ausbilden eines n-Typ DBR 12 auf dem Substrat (nicht dargestellt) errichtet. Der n-Typ DBR 12 ist eine Struktur, welche eine Mehrzahl von Schichten aus Aluminium, Gallium und Arsenid aufweist, die mit einem n-Typ Element dotiert worden sind. Alternierende Schichten innerhalb des n-Typ DBR 12 haben jeweils einen variierenden Brechungsindex. Die spezifische Anordnung (d. h. die Anzahl, die Dicke, die Materialzusammensetzung und der Brechungsindex) von den alternierenden Schichten innerhalb des n-Typ DBR 12 kann sich im Einklang mit spezifischen Anwendungen und Designs ändern.
Eine aktive Region 14 ist oberhalb des n-Typ DBR 12 ausgebildet. Die aktive Region 14 weist eine oder mehrere Quantenmulden (nicht dargestellt) auf, welche aus dünnen Schichten von undotiertem Aluminium, Gallium und Arsenid oder anderen Halbleitermaterialzusammensetzungen hergestellt sind, die sich in der Energie der Bandlücke unterscheiden. Die spezifische Anordnung (d. h. die Anzahl, die Dicke, die Materialzusammensetzung und die Energie der Bandlücke) der Quantenmulden innerhalb der aktiven Region 14 kann sich im Einklang mit spezifischen Anwendungen und Designs ändern.
Ein p-Typ DBR 18 ist über der aktiven Region 14 geformt. Der p-Typ DBR 18 ist eine Struktur, die eine Mehrzahl von Schichten aus Aluminium, Gallium und Arsenid aufweist, die mit einem p-Typ Element dotiert worden sind. Alternierende Schichten innerhalb des n-Typ DBR 18 haben jeweils einen variierenden Brechungsindex. Die spezifische Anordnung (d. h. die Anzahl, die Dicke, die Materialzusammensetzung und der Brechungsindex) von den alternierenden Schichten innerhalb des p-Typ DBR 18 kann sich im Einklang mit spezifischen Anwendungen und Designs ändern.
Die Oxidationsschicht 16 ist durch ein tiefes Ätzen eines zirkularen Einschnitts gebildet um einen Abschnitt einer Schicht innerhalb des p-Typ DBRs 18 freizulegen, welche Schicht einen hohen Aluminium Anteil aufweist. Aluminium ist ein Element das bereitwillig oxidiert werden kann. Die Oxidschicht 16 wird freigelegt und dann auf eine erhöhte Temperatur in einer oxidierenden Atmosphäre, wie zum Beispiel eine Atmosphäre mit einem hohen Anteil an Wasserdampf, aufgeheizt. Die oxidierende Atmosphäre oxidiert die freigelegten Flächen von jedem Material, welches einen signifikanten Anteil an Aluminium aufweist. Die spezifische Anordnung (d. h. die Oxid-Blendenöffnung, die Dicke, die Materialzusammensetzung) von der Oxidschicht 16 kann sich im Einklang mit spezifischen Anwendungen und Designs ändern. In einer beispielhaften Ausführungsform besteht die Oxidschicht im Wesentlichen aus Al_xGa_1-xAs, wobei x ≥ 0,9 ist.
Eine Isolierungsschicht 15 wird geschaffen so dass der p-Typ DBR 18 über der Oxidschicht 16 von der Isolierungsschicht 15 umgeben ist. Die Isolierungsschicht 15 ist gebildet durch ein Implantieren von Ionen von Wasserstoff, Sauerstoff, Bor oder anderen geeigneten Elementen in die alternierenden Schichten des p-Typ DBR 18. Die Isolierungsschicht 15 erstreckt sich in den p-Typ DBR um eine Isolierungsblendenöffnung 24 zu definieren. Nach dem Implantieren ist die Isolierungsschicht 15 elektrisch isolierend. In der illustrierten Ausführungsform erstreckt sich die Isolierungsschicht 15 von der obersten Oberfläche des p-Typ DBR zu der untersten Oberfläche des p-Typ DBR 18. Die spezifische Anordnung (d. h. der Ionentyp und die Ionendichte) der Isolierungsschicht 15 kann sich im Einklang mit spezifischen Anwendungen und Designs ändern.
Danach wird die Implantationsschicht 110 gebildet durch ein Implantieren von Ionen aus Wasserstoff, Sauerstoff, Bor oder anderen geeigneten Elementen in ein Halbleitermaterial wie zum Beispiel eine Zusammensetzung aus Aluminium, Gallium und Arsenid. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Wasserstoffionen mit einer Energie und einer Dosis implantiert, so dass die Wasserstoffionen in den ersten Abschnitt des p-Typ DBR 18 außerhalb der Implantationsöffnung bis zu der obersten Oberfläche der aktiven Region 14 eindringen. Die spezifische Anordnung (d. h. die Dicke, der Ionentyp und die Ionendichte) der Implantationsschicht 110 mag sich im Einklang mit spezifischen Anwendungen und Designs ändern.
Eine dielektrische Schicht 13 ist auf der obersten Oberfläche der Isolierungsschicht 15 gebildet. Die dielektrische Schicht 13 kann aus jedem geeigneten dielektrischen Material, wie zum Beispiel Siliziumdioxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder ähnlichem, hergestellt sein. Die dielektrische Schicht 13 kann gebildet sein unter Verwendung von jedem geeigneten Verfahren oder jeder geeigneten Technik wie zum Beispiel chemische Dampfabscheidung (chemical vapor deposition – CVD), beispielsweise Niedrigdruck chemische Dampfabscheidung (low pressure chemical vapor deposition – LPCVD) oder Plasma unterstützte chemische Dampfabscheidung (plasma-enhanced chemical vapor deposition – PECVD). Die spezifische Anordnung (d. h. die Dicke und die Länge) der dielektrischen Schicht 13 mag sich im Einklang mit spezifischen Anwendungen und Designs ändern.
Ein p-Typ Metallkontakt 11 ist oberhalb der dielektrischen Schicht 13 und der Isolierungsschicht 15 ausgebildet. Der p-Typ Metallkontakt 11 ist aus einem beliebigen p-Typ Metall hergestellt. Der p-Typ Metallkontakt 11 kann auf der dielektrischen Schicht 13 und der Isolierungsschicht 15 durch jedes geeignete Verfahren oder jede geeignete Technik, wie zu Beispiel Sputtern, Evaporieren oder Ähnliches, abgeschieden werden. Zusätzlich sollte verstanden werden, dass die spezifische Dicke des p-Typ Metallkontakts für spezifische Anwendungen und Designs geändert werden kann.
Der VCSEL 100 ist eine herstellbare Struktur, welche eine Implantationsschicht 110 zwischen der Oxidschicht 16 und der aktiven Region 14 aufweist. Die Implantationsschicht 110 erstreckt sich in den p-Typ BDR 18 in Richtung der Mitte des VCSEL 100. Eine Öffnung in der Implantationsschicht 110 definiert eine Blendenöffnung 120, durch welche injizierter Strom von dem p-Typ DBR 18 zu der aktiven Region 14 fließt. Wie oben beschrieben, weist die Implantationsschicht 110 ein Halbleitermaterial mir implantierten Ionen (zum Beispiel Wasserstoff, Sauerstoff, etc.) auf, welche die Implantationsschicht 110 zu einem elektrischen Isolator machen. In der illustrierten Ausführungsform erstreckt sich die Implantationsschicht 110 in die optische Region 19 und steht in Kontakt mit der untersten Oberfläche der Oxidschicht 16 und der obersten Oberfläche der aktiven Region 14. Die Implantationsschicht 110 erstreckt sich lateral in den p-Typ DBR 18 weiter als die Isolierungsschicht 15 aber nicht so weit wie die Oxidschicht 16. Wie in 2 illustriert, ist die Isolierungsblendenöffnung 24 größer als die Öffnung oder die Ausnehmung in dem p-Typ Metallkontakt 11 um zu erlauben, dass der Strom in den p-Typ DBR 18 injiziert wird. Strom wird in den VCSEL 100 von einem Abschnitt des p-Typ Metallkontaktes 11 injiziert, welcher den p-Typ DBR 18 kontaktiert. Zusätzlich ist die Öffnung oder die Ausnehmung in dem p-Typ Metallkontakt 11 größer als die Oxidblendenöffnung 20 um eine mögliche Störung (interference) mit jeglicher optischer Emission von dem VCSEL 100 zu verhindern. Die Implantationsblendenöffnung 120 ist nicht durch diese Beschränkungen limitiert und kann beliebig klein sein und beliebig nah zu der Dimension der Oxidblendenöffnung sein. Dementsprechend sind andere physikalische Beziehungen der Implantationsschicht 110 möglich und können in Erwägung gezogen werden.
Im Betrieb fließt Strom, der in den VCSEL 100 injiziert wird, wie durch die Pfeile 26 illustriert, von dem p-Typ Metallkontakt 11 in den p-Typ DBR 18. Die Isolierungsschicht 15 und die Oxidschicht 16 sind nicht leitend und kanalisieren den Strom in Richtung der Oxidblendenöffnung 20 und der Implantationsblendenöffnung 120 in die optische Region 19. Wenn der Strom, welcher in den VCSEL 100 injiziert wird, einen Schwellenstrom übersteigt, dann rekombinieren Elektronen und Löcher und emittieren in der optischen Region 19 Photonen. In der illustrierten Ausführungsform ist das Reflexionsvermögen des p-Typ DBR 18 kleiner als das Reflexionsvermögen des n-Typ DBR 12. Dementsprechend wird Licht von dem VCSEL 100 in der Aufwärtsrichtung emittiert, wie durch die Pfeile 25 angedeutet. Der VCSEL 100 ist strukturiert um Licht zu erzeugen, welches eine Wellenlänge von ungefähr 850 nm hat. In alternativen Ausführungsformen kann ein VCSEL, welcher sowohl die Oxidschicht 16 als auch die Implantationsschicht 110 aufweist, eingerichtet sein Licht zu erzeugen und zu emittieren, welches eine Wellenlänge von ungefähr 620 nm bis ungefähr 1080 nm hat, und dieses entweder nach oben oder nach unten durch ein Substrat, welches transparent bei der Emissionswellenlänge ist, auszugeben.
Im Betrieb verhindert die Implantationsschicht 110 des VCSEL 100, dass der Verluststrom 30 (1) ein ladungsgepumptes Reservoir von Ladungsträgern außerhalb der optischen Region 19 schafft. Experimentelle Beobachtungen zeigen dass für einen konstanten Vorspannungsstrom (biasing current) eine Kleinsignal-Modulationsbandbreite (small-signal modulation bandwidth) durch die Integration der Implantationsschicht 110 verbessert ist, wobei die kleinste Implantationsblendenöffnung 120 die größte Verbesserung zeigt.
3 ist eine Querschnittansicht einer alternativen Ausführungsform einer verbesserten VCSEL Vorrichtung 200. Die VCSEL Vorrichtung 200 ist eine herstellbare Struktur, welche unter der Oxidschicht 16 eine Implantationsschicht 210 aufweist, die sich in vertikaler Richtung in die aktive Region 14 erstreckt. Die Implantationsschicht 210 erstreckt sich lateral in den p-Typ DBR 18 in Richtung der Mitte des VCSEL 200. Eine Öffnung in der Implantationsschicht 210 definiert eine Blendenöffnung 220, durch welche injizierter Strom von dem p-Typ DBR 18 zu der aktiven Region 14 fließt. Wie oben beschrieben, weist die Implantationsschicht 210 implantierte Ionen (zum Beispiel Wasserstoff, Sauerstoff, Bor, etc.) auf, welche die Implantationsschicht 210 zu einem elektrischen Isolator machen. In der illustrierten Ausführungsform erstreckt sich die Implantationsschicht 210 zu dem Rand der optischen Region 19 und steht in Kontakt mit der untersten Oberfläche der Oxidschicht 16. Zusätzlich zum Aufweisen einer größeren Blendenöffnung als der VCSEL 100 (2), dringt die Implantationsschicht 210 in die aktive Region 14 ein. In alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt), mag sich die Implantationsschicht 210 bis zu oder sogar in den n-Typ DBR 12 erstrecken um zu verhindern, dass injizierter Strom aus der optischen Region 19 des VCSEL 200 entkommt.
Im Betrieb, d. h. in der Gegenwart eines injizierten Stroms, der den Schwellenstrom des VCSEL 200 übersteigt, verhindert die Implantationsschicht 210 des VCSEL 200, dass der Verluststrom 30 (1) ein ladungsgepumptes Reservoir von Ladungsträgern außerhalb der optischen Region 19 schafft. Als Ergebnis wird der injizierte Strom 26 zu der optischen Region 19 eingeengt und sowohl der Schwellenstrom als auch die Kapazität des Übergangs sind reduziert.
Andere Ansätze (nicht dargestellt) mögen eine ähnliche laterale Stromeinengung in der optischen Region 19 erreichen. Zum Beispiel könnte man eine intrinsische Halbleiterschicht (undotiert und isolierend) zwischen der Oxidschicht 16 und der aktiven Region 14 wachsen, dann selektiv dieses Material in der Oxidblendenöffnung leitfähig machen, wie zum Beispiel mittels eines tiefen Diffusionsprozesses (deep diffusion process) unter Verwendung von Zink (zum Beispiel dotieren mit Zink um das Material leitfähig zu machen). Jedoch könnte sich herausstellen, dass solche Designs sehr schwierig herzustellen sind.
4 ist ein Diagramm, welches eine Übergangskapazität und einen Vorspannungsstrom (biasing current) in einer Steuervorrichtung für verschiedene Anordnungen der Implantationsblendenöffnung in der verbesserten VCSEL Vorrichtung gemäß 2 illustriert. Das Diagramm zeigt die Übergangskapazität in pF entlang der vertikalen Achse und den Vorspannungsstrom oder den injizierten Strom im mA entlang der horizontalen Achse. Die Übergangskapazität für eine Steuervorrichtung, das heißt ein VCSEL ohne eine Implantationsschicht 110, 210, ist durch die Linie dargestellt, welche durch Datenpunkte definiert ist, die durch ein ”x” illustriert sind. Die Übergangskapazität für eine beispielhafte Vorrichtung, das heißt ein VCSEL mit einer Implantationsschicht 110, 210 mit einer Implantationsblendenöffnung 120, 220 von ungefähr 19 μm, ist durch die Linie dargestellt, welche durch Datenpunkte definiert ist, die durch ein Symbol in Form einer Raute illustriert sind. Die Übergangskapazität für eine beispielhafte Vorrichtung, das heißt ein VCSEL mit einer Implantationsschicht 110, 210 mit einer Implantationsblendenöffnung 120, 220 von ungefähr 17 μm, ist durch die Linie dargestellt, welche durch Datenpunkte markiert ist, die durch ein Symbol in Form eines Quadrats illustriert sind. Die Übergangskapazität für eine beispielhafte Vorrichtung, das heißt ein VCSEL mit einer Implantationsschicht 110, 210 mit einer Implantationsblendenöffnung 120, 220 von ungefähr 15 μm ist durch die Linie dargestellt, welche durch Datenpunkte markiert ist, die durch ein Symbol in Form eines Dreiecks illustriert sind. Die Übergangskapazität für eine beispielhafte Vorrichtung, das heißt ein VCSEL mit einer Implantationsschicht 110, 210 mit einer Implantationsblendenöffnung 120, 220 von ungefähr 13 μm, ist durch die Linie dargestellt, welche durch Datenpunkte markiert ist, die durch ein Symbol in Form eines Kreises illustriert sind. Aus dem Diagramm 400 wird deutlich, dass die Übergangskapazität für jedes der beispielhaften VCSEL, die produziert und getestet wurden, signifikant reduziert ist, wobei ein VCSEL ausgestattet mit einer Implantationsblendenöffnung von ungefähr 13 μm die meiste Verbesserung zeigt.
5 ist ein Diagramm, welches eine Kleinsignal-Modulationsbandbreite für ausgewählte Anordnungen der Implantationsblendenöffnung in der verbesserten VCSEL Vorrichtung gemäß 2 illustriert. Das Diagramm 500 zeigt eine Vorwärtsspannungsverstärkung (forward voltage gain) oder einen Streuparameter (scatter parameter) S21 in Dezibel entlang einer vertikalen Achse und die Frequenz in GHz entlang der horizontalen Achse. Die Vorwärtsspannungsverstärkung für eine Steuervorrichtung, das heißt ein VCSEL ohne eine Implantationsschicht 110, 210, welcher durch einen Vorspannungsstrom (biasing current) von ungefähr 4 mA angetrieben wird, ist durch die gestrichelte Linie dargestellt. Die Vorwärtsspannungsverstärkung für eine beispielhafte Steuervorrichtung, das heißt ein VCSEL mit einer Implantationsschicht 110, 210 aufweisend eine Implantationsblendenöffnung 120, 220 von ungefähr 15 μm, ist durch die graue Linie dargestellt. Die Vorwärtsspannungsverstärkung für eine beispielhafte Steuervorrichtung, das heißt ein VCSEL mit einer Implantationsschicht 110, 210 aufweisend eine Implantationsblendenöffnung 120, 220 von ungefähr 13 μm, ist durch die dunkelgraue Linie dargestellt. Die Vorwärtsspannungsverstärkung für eine beispielhafte Steuervorrichtung, das heißt ein VCSEL mit einer Implantations schicht 110, 210 aufweisend eine Implantationsblendenöffnung 120, 220 von ungefähr 11 μm, ist durch die schwarze Linie dargestellt. Aus dem Diagramm 500 wird deutlich, dass die Vorwärtsspannungsverstärkung oder S21 für jedes der beispielhaften VCSEL, die produziert und getestet wurden, signifikant reduziert ist, wobei ein VCSEL ausgestattet mit einer Implantationsblendenöffnung von ungefähr 11 μm die meiste Verbesserung zeigt. Eine verbesserte Vorwärtsspannungsverstärkung ist direkt in Bezug setzbar mit einer verbesserten Modulationsbandbreite und einer nachhaltigen Datenrate für eine Kommunikationsverbindung, welche den verbesserten VCSEL 100, 200 verwendet. Die Verbesserung der Modulationsbandbreite für den 11 μm Fall ist ein Resultat der oben genannten Vorteile des tiefen Implantationsprozesses, einschließlich des reduzierten Schwellenstromes, der reduzierten Ladungsansammlung außerhalb der optischen Mode mit einer verringerten Einbuße durch Vorrichtungsstöreffekte und einer reduzierten nicht linearen optischen Wechselwirkung zwischen der nicht gleichmäßigen lateralen optischen Verteilung und einer nicht gleichmäßigen lateralen Ladungsträger Verteilung durch die verbesserte laterale Einengung der Population der Ladungsträger.
6 ist ein Flussdiagram einer Ausführungsform eines Verfahrens 600 zum Erzeugen von Licht. Das Verfahren beginnt mit einem Block 602, wo ein Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser oder ein VCSEL gebildet wird. Der VCSEL weist eine aktive Region und eine Oxidschicht auf. Die aktive Region ist getrennt von der Oxidschicht und ist eingerichtet als Antwort auf einen injizierten Strom Licht zu erzeugen. In Block 604 wird eine Implantationsschicht unterhalb der Oxidschicht eingeführt, um den injizierten Strom in eine Region des VCSEL einzuengen, wo Ladungsträger kombinieren um Licht zu erzeugen.
Wie oben gezeigt, befindet sich die Oxidschicht 16 unterhalb einer Isolierungsschicht 15 und erstreckt sich oberhalb der aktiven Region 14 lateral in ein p-Typ DBR 18. In alternativen Ausführungsformen mag sich die Implantationsschicht 110, 210 in oder durch die aktive Region 14 unterhalb der Oxidschicht 16 erstrecken. In anderen alternativen Ausführungsformen (nicht dargestellt) mag sich die Implantationsschicht 110, 210 vertikal in den n-Typ DBR 12 erstrecken. Die Implantationsschicht 110, 210, welche durch ein Implantieren von Ionen einer Sorte eines Elements wie zum Beispiel Wasserstoff, Sauerstoff, Bor, etc. gebildet werden kann, macht die Implantationsschicht 110, 210 elektrisch isolierend und engt den injizierten Strom in eine optische Region 19 ein, wo Licht erzeugt wird.
Obwohl verschiedene Ausführungsformen der Licht emittierenden Halbleitervorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von Licht beschrieben wurden, wird es für den Fachmann offensichtlich sein, das viele weitere Ausführungsformen und Implementierungen möglich sind und innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung liegen. Dementsprechend sind die beschriebenen Halbleitervorrichtungen und die Verfahren zum Erzeugen von Licht nicht beschränkt oder auf andere Weise eingeschränkt außer im Lichte der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente.

Claims

Eine Licht emittierende Halbleitervorrichtung, aufweisend: eine aktive Region, eingerichtet zum Erzeugen von Licht als Antwort auf eine injizierte Ladung, eine Oxidschicht, eingerichtet zum Lenken von Ladung in die aktive Region, und eine Implantationsschicht, angeordnet zwischen der Oxidschicht und der aktiven Region, wobei die Implantationsschicht eingerichtet ist, die injizierte Ladung auf eine Region der Vorrichtung zu begrenzen, wo Ladungsträger kombinieren um Licht zu emittieren.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die Implantationsschicht in einen verteilten Bragg Reflektor in Richtung einer vertikalen Achse der Vorrichtung erstreckt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei sich die Oxidschicht in den verteilten Bragg Reflektor in Richtung der vertikalen Achse der Vorrichtung weiter als die Implantationsschicht erstreckt.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Implantationsschicht eine obere Oberfläche der aktiven Region kontaktiert.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Implantationsschicht vertikal in die aktive Region erstreckt
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Implantationsschicht ein Material mit einen Ionenimplantierung aufweist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend im Wesentlichen Aluminium, Gallium und Arsenid.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Oxidschicht im Wesentlichen aus Al_xGa_1-xAs besteht, wobei x ≥ 0,9 ist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, strukturiert zum Erzeugen von Licht, welches eine Wellenlänge zwischen 620 nm und 1650 nm hat.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, strukturiert zum Erzeugen von Licht, welches eine Wellenlänge von ungefähr 850 nm hat.
Ein Verfahren zum Erzeugen von Licht, das Verfahren aufweisend: Bilden eines Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers einschließlich einer aktiven Region und einer Oxidschicht, wobei die aktive Region getrennt von der Oxidschicht ist und konfiguriert ist, um Licht als Antwort auf einen injizierten Strom zu erzeugen, und Einführen einer Implantationsschicht angrenzend und unterhalb der Oxidschicht, um den injizierten Strom auf eine Region der Vorrichtung zu begrenzen, wo Ladungsträger kombinieren um Licht zu emittieren.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Einführen einer Implantationsschicht aufweist ein Implantieren eines Ions in einer Schicht aufweisend Aluminium, Gallium und Arsenid.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei das Einführen einer Implantationsschicht aufweist ein Erstrecken der Implantationsschicht in einen verteilten Bragg Reflektor.
Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Erstrecken der Implantationsschicht in einen verteilten Bragg Reflektor resultiert in einer geringeren Durchdringung des verteilten Bragg Reflektors von der Implantationsschicht als einer Durchdringung von der Oxidschicht.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Einführen einer Implantationsschicht aufweist ein Erstrecken der Implantationsschicht vertikal in die Richtung der aktiven Region.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Einführen einer Implantationsschicht aufweist ein Erstrecken der Implantationsschicht vertikal in die aktive Region.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Einführen einer Implantationsschicht aufweist ein Einführen einer ausreichenden Verteilung von Ionen, um die Implantationsschicht zu veranlassen, auf den injizierten Strom wie ein elektrischer Isolator zu reagieren.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Einführen einer Implantationsschicht aufweist ein Blockieren eines lateralen Entweichens des injizierten Stroms unter die Oxidschicht.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, ferner aufweisend Anpassen einer Implantationsblendenöffnung um eine Signal-Modulationsbandbreite zu variieren.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei das Bilden eines Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers aufweist ein Strukturieren von Quantenmulden um Licht zu erzeugen, welches eine Wellenlänge von ungefähr 850 nm hat.