DE102018131615A1 - Segmentierter Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) - Google Patents

Segmentierter Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100). Die oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) umfasst einen ersten elektrischen Kontakt (105), ein Substrat (110), einen zweiten elektrischen Kontakt (135) und einen optischen Resonator. Der optische Resonator ist auf einer ersten Seite des Substrats (110) angeordnet. Der optische Resonator umfasst eine erste reflektierende Struktur mit einem ersten verteilten Bragg-Spiegel (115), eine zweite reflektierende Struktur mit einem zweiten verteilten Bragg-Spiegel (130), eine aktive Schicht (120) zwischen der ersten reflektierenden Struktur und der zweiten reflektierenden Struktur und eine Führungsstruktur (132). Die Führungsstruktur (132) ist angeordnet, um ein erstes relatives Intensitätsmaximum einer Intensitätsverteilung innerhalb der aktiven Schicht (120) an einer ersten lateralen Position des optischen Resonators derart zu definieren, dass ein erster Lichtemissionsbereich (124) vorgesehen wird, wobei die Führungsstruktur (132) angeordnet ist, um mindestens ein zweites relatives Intensitätsmaximum der Intensitätsverteilung innerhalb der aktiven Schicht (120) an einer zweiten lateralen Position des optischen Resonators derart zu definieren, dass ein zweiter Lichtemissionsbereich (124) vorgesehen wird, wobei die Führungsstruktur (132) ferner angeordnet ist, um eine Intensität der Intensitätsverteilung zwischen den mindestens zwei Lichtemissionsbereichen (124) während des Betriebs der oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) zu reduzieren, und wobei die Führungsstruktur (132) innerhalb eines Schichtstapels des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115) oder des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (130) angeordnet ist.Ferner beschreibt die Erfindung den optischen Sensor (300) mit einer derartigen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100), eine mobile Kommunikationsvorrichtung (380) mit einem derartigen optischen Sensor (300) und ein Verfahren zum Herstellen der oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100).

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG:
  • Die Erfindung betrifft eine segmentierte oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL)-Vorrichtung mit einer Führungsstruktur, die zum Bereitstellen separater optischer Modi angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner einen optischen Sensor mit einer solchen VCSEL-Vorrichtung und eine mobile Kommunikationsvorrichtung mit einem solchen optischen Sensor. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer solchen VCSEL-Vorrichtung.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
  • Adressierbare Anordnungen von VCSELs sind auf dem Gebiet der Sensoren für die Tiefenbildgebung sowie zum Drucken/zur Additiven Fertigung von zunehmender Bedeutung. Je nach Anwendung kann nicht toleriert werden, wenn auch nur ein einziges Pixel ausfällt. Solch ein Einzelpixelausfall würde ein Ausfallen der gesamten Vorrichtung verursachen. Dies macht pixelbasierte Anordnungen, die große VCSELs (großer Lichtemissionsbereich) umfassen, ungünstig, da die Rate von Einzelpixelausfällen mit der Größe der VCSEL zunimmt.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG:
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine VCSEL-Vorrichtung mit hoher Ausgangsleistung und verbesserter Zuverlässigkeit bereitzustellen.
  • Die Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte Ausführungsformen.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird eine VCSEL-Vorrichtung bereitgestellt. Die VCSEL-Vorrichtung umfasst einen ersten elektrischen Kontakt, ein Substrat, einen zweiten elektrischen Kontakt und einen optischen Resonator. Der optische Resonator ist auf einer ersten Seite des Substrats angeordnet. Der optische Resonator umfasst eine erste reflektierende Struktur mit einem ersten verteilten Bragg-Spiegel (DBR), eine zweite reflektierende Struktur mit einem zweiten DBR, eine aktive Schicht, die zwischen der ersten reflektierenden Struktur und der zweiten reflektierenden Struktur angeordnet ist, und eine Führungsstruktur. Die Führungsstruktur ist so angeordnet, dass sie ein erstes relatives Intensitätsmaximum einer Intensitätsverteilung innerhalb der aktiven Schicht an einer ersten lateralen Position des optischen Resonators derart definiert, dass ein erster Lichtemissionsbereich bereitgestellt wird. Die Führungsstruktur ist ferner so angeordnet, dass sie mindestens ein zweites relatives Intensitätsmaximum der Intensitätsverteilung innerhalb der aktiven Schicht an einer zweiten lateralen Position des optischen Resonators derart definiert, dass ein zweiter Lichtemissionsbereich bereitgestellt wird. Die Führungsstruktur kann innerhalb (im Inneren) eines Schichtstapels des ersten DBR oder des zweiten DBR angeordnet sein. Die Führungsstruktur ist ferner angeordnet, um eine Intensität der Intensitätsverteilung zwischen den mindestens zwei (oder mehreren) Lichtemissionsbereichen während des Betriebs der VCSEL-Vorrichtung zu reduzieren. Zwischen den zwei, drei, vier oder mehreren Lichtemissionsbereichen wird ein Lasern verhindert. Die zwei, drei, vier oder mehrere relativen Intensitätsmaxima sind getrennt oder genauer gesagt im Wesentlichen unabhängig voneinander. Unterschiedliche optische Moden (zwei, drei, vier oder mehr) können zu den relativen Intensitätsmaxima an verschiedenen lateralen Positionen beitragen. Die Führungsstruktur kann so angeordnet sein, dass sie eine Intensität von mindestens einer optischen Mode, die zu mindestens einem des ersten oder des zweiten relativen Intensitätsmaximums beiträgt, außerhalb des mindestens ersten oder des zweiten Lichtemissionsbereichs derart reduziert, dass eine laterale Ausbreitung der Lichtemissionsbereiche an die jeweilige laterale Position des optischen Resonators gebunden ist. Der erste und der zweite elektrische Kontakt sind angeordnet, um die aktive Schicht elektrisch zu pumpen. Die erste oder die zweite reflektierende Struktur kann reflektierende Elemente umfassen, die nicht in dem ersten oder dem zweiten DBR umfasst sind, und welche zu dem gesamten Reflexionsvermögen der ersten oder zweiten reflektierenden Struktur beitragen. Die aktive Schicht kann zwei, drei, vier oder mehrere Lichtemissionsbereiche über die laterale Ausbreitung der aktiven Schicht, die mit Hilfe der Führungsstruktur definiert wird, umfassen. Der auf der ersten Seite des Substrats angeordnete Schichtstapel des optischen Resonators zeichnet sich durch eine Dicke zwischen 5-20 µm aus. Das Substrat zeichnet sich in der Regel durch die Dicke zwischen 100-600 µm aus, derart, dass eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite von der ersten Seite durch mindestens 100 µm getrennt ist.
  • Der Ausdruck „oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator“ schließt auch sogenannte oberflächenemittierende Laser mit externem vertikalem Resonator (VECSEL) ein. Die Abkürzung VCSEL wird für beide Arten von Lasern verwendet. Der Begriff „Schicht“ schließt nicht aus, dass die Schicht zwei oder mehrere Unterschichten umfasst.
  • Adressierbare Anordnungen von VCSELs oder VCSEL-Vorrichtungen sind auf dem Gebiet der Sensoren für die Tiefenbildgebung sowie zum Drucken/zur Additiven Fertigung von zunehmender Bedeutung. Je nach Anwendung kann nicht toleriert werden, wenn auch nur ein einziges Pixel ausfällt ist. Solch ein Ausfall würde das Ausfallen der gesamten Vorrichtung verursachen.
  • VCSELs-Vorrichtungen können aufgrund der Entstehung von Defekten im Kristall versagen, welche einen Teil der Laserstrahlung absorbieren und den Laserschwellenwert erhöhen. Durch eine solche Absorption erhöht sich die lokale Temperatur im fehlerhaften Bereich und die Defekte werden größer, was zu einer noch höheren Absorption und schließlich zu einem Totalausfall führt.
  • Selbst bei VCSEL-Vorrichtungen mit großem Durchmesser sind die individuellen Stellen in der Apertur durch die optischen Moden verbunden, die entweder ein Intensitätsprofil über die gesamte Apertur oder ebene Wellen aufweisen, die über die gesamte Apertur wandern. Ein lokaler Defekt würde daher optische Leistung absorbieren, die durch optische Moden mit einem Intensitätsprofil über den aktiven Bereich oder ebene Wellen, die über den aktiven Bereich wandern, bereitgestellt wird.
  • Aus diesem Grund verwenden „Umgehungslösungen“ eine kleine Anordnung für ein Pixel, wobei jedes Element der Anordnung (VCSEL mit kleinem Wirkbereich) mit Hilfe einer Optik auf ein einziges Pixel in der Anwendung abgebildet wird. Dies erfordert einen erheblichen Aufwand und Platz, der für Massenanwendungen nicht praktikabel ist.
  • Insbesondere unten emittierende VCSEL-Vorrichtungen, die Laserlicht durch das Substrat mit einem vollen Metallanodenkontakt emittieren, können auf einen relativ großen Durchmesser skaliert werden (Gesamtwirkfläche von mehr als 200 µm2, vorzugsweise mehr als 400 µm2 und am besten mehr als 600 µm2), um Anwendungen mit höherer Leistung zu ermöglichen. Die Flip-Chip-Montage des unteren Emitters auf einem elektronischen Treiber ermöglicht die Adressierung von einzelnen „Pixeln“. Solch eine Architektur ist kompakter, wird heute jedoch aufgrund des oben erörterten Zuverlässigkeitsproblems nicht verwendet.
  • Die VCSEL-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 ermöglicht das Herstellen einer großflächigen VCSEL-Vorrichtung mit einer optischen Trennung verschiedener Lichtemissionsbereiche über die Apertur. Relative Maxima der Intensitätsverteilung verbleiben in definierten Teilen der Apertur oder des aktiven Bereichs und vermischen sich nicht. Ein Vorteil der Trennung der Lichtemissionsbereiche über die laterale Ausbreitung des aktiven Bereichs der verbundenen aktiven Schicht ist, dass ein einzelner Bereich eines solchen versagenden Lichtemissionsbereichs bewirkt, dass der jeweilige Lichtemissionsbereich der Vorrichtung das Lasern stoppt. Daher wird die optische Intensität in diesem Bereich reduziert (und aufgrund der Trennung bringen andere Bereiche ihre Intensität nicht ein) und eine lokale Erwärmung durch Absorption wird vermieden. Der Defekt breitet sich nicht weiter aus und der Schaden wird lokal begrenzt. Die Intensitätsverteilung ist daher so, dass im Wesentlichen keine Energieübertragung zwischen sehr benachbarten Lichtemissionsbereichen und den entsprechenden relativen Intensitätsmaxima besteht. Jedes relative Intensitätsmaximum und jede beitragende optische Mode oder Moden erhält den Großteil seiner Verstärkung aus der zugeordneten lateralen Position innerhalb des optischen Resonators (Position des zugehörigen Lichtemissionsbereichs) und nur einen kleinen Teil von benachbarten Bereichen.
  • Die Größe der Lichtemissionsbereiche beträgt mindestens 3 µm2. Die Lichtemissionsbereiche bestehen aus einem aktiven Bereich der aktiven Schicht von mindestens 200 µm2.
  • Die Führungsstruktur kann ein lokalisiertes Element sein, das beispielsweise aus einer einzelnen Schicht des optischen Resonators besteht. Die Führungsstruktur kann alternativ eine Vielzahl von Schichten umfassen, die so zusammenwirken, dass (neben dem einzelnen lokalisierten Element) getrennte relative Intensitätsmaxima von zwei, drei, vier oder mehreren Lichtemissionsbereichen an den jeweiligen Ort im optischen Resonator gebunden sind.
  • Die Führungsstruktur kann innerhalb eines Schichtstapels des ersten verteilten Bragg-Spiegels oder des zweiten verteilten Bragg-Spiegels in einer vertikalen Richtung der oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung angeordnet sein. Die vertikale Richtung kann sich auf eine vertikale Richtung der vertikalen Kavität der oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung beziehen.
  • Die Führungsstruktur kann innerhalb des optischen Resonators angeordnet und von diesem (vollständig) umschlossen sein. Die Führungsstruktur kann innerhalb des optischen Resonators angeordnet und von diesem vollständig umgeben sein. Die Führungsstruktur kann innerhalb des optischen Resonators, insbesondere innerhalb des ersten DBR oder innerhalb des zweiten DBR, angeordnet sein. Die Führungsstruktur kann innerhalb des ersten DBR oder des zweiten DBR angeordnet und von diesem vollständig umschlossen sein. Die Führungsstruktur kann innerhalb eines Schichtstapels des ersten DBR oder des zweiten DBR angeordnet sein, derart, dass die optische Führungsstruktur von dem ersten oder dem zweiten DBR umgeben bzw. umschlossen ist. Ein Vorteil dieses Ansatzes kann ein einheitlicherer Wachstumsprozess angrenzender Schichten sein, z. B. zwischen der aktiven Schicht und einer Schicht des ersten oder zweiten DBR. Die Führungsstruktur kann derart angeordnet sein, dass mindestens eine Schicht (oder eine Abfolge von mindestens zwei Schichten) des Schichtstapels des ersten und/oder zweiten DBR in Kontakt mit der Führungsstruktur angeordnet ist, wobei die mit der Führungsstruktur in Kontakt stehende DBR-Schicht bzw. -Schichtabfolge in einer vertikalen Richtung der vertikalen Kavität des oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator angeordnet ist.
  • Mindestens eine erste Schicht des ersten DBR kann über der Führungsstruktur in einer vertikalen Richtung der vertikalen Kavität des oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator angeordnet sein, und mindestens eine zweite Schicht des ersten DBR kann unter der Führungsstruktur in einer vertikalen Richtung der vertikalen Kavität des oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator angeordnet sein. Das gleiche kann für den zweiten DBR gelten.
  • Ein Vorteil der Führungsstruktur innerhalb (im Inneren) eines Schichtstapels des ersten DBR oder des zweiten DBR kann eine verbesserte strukturelle Integrität der Vorrichtung sein. Somit kann die Vorrichtung besser für ungünstige Anwendungsszenarien geeignet sein, stabiler in Bezug auf Vibrationen sein und/oder kann eine verbesserte Zuverlässigkeit, beispielsweise in Kraftfahrzeuganwendungen, bieten. Zum Beispiel kann eine (einzige) Mesastruktur vorgesehen sein, die die Führungsstruktur umfasst, anstatt separate Mesastrukturen vorzusehen, die durch Rinnen und/oder elektrische Kontakte zwischen den separaten Mesastrukturen getrennt sind.
  • Die Führungsstruktur kann beispielsweise so angeordnet sein, dass sie eine laterale Variation eines Reflexionsvermögens der ersten reflektierenden Struktur oder der zweiten reflektierenden Struktur parallel zur aktiven Schicht bereitstellt. Die laterale Variation des Reflexionsvermögens kann mit Hilfe einer einzelnen Schicht oder einer Kombination von zwei oder mehreren Schichten bereitgestellt werden. Die Führungsstruktur kann beispielsweise in einem Schichtstapel des ersten DBR oder des zweiten DBR angeordnet sein. Die Führungsstruktur kann eine Variation einer Dicke von mindestens einer Schicht des ersten DBR oder des zweiten DBR umfassen. Die Führungsstruktur kann alternativ oder zusätzlich eine laterale Variation eines Reflexionsvermögens des ersten elektrischen Kontakts oder des zweiten elektrischen Kontakts aufweisen.
  • Die Führungsstruktur kann alternativ oder zusätzlich oxidierte Bereiche in mindestens einer Schicht des ersten verteilten Bragg-Spiegels oder des zweiten verteilten Bragg-Spiegels umfassen. Die oxidierten Bereiche sind angeordnet, um die Intensität zwischen den mindestens zwei Lichtemissionsbereichen zu reduzieren. Der oxidierte Bereich kann derart angeordnet sein, dass er die Resonanzbedingungen innerhalb des optischen Resonators in lateraler Richtung ändert und/oder eine lokale Strombegrenzung des elektrischen Stroms an den Stellen der Lichtemissionsbereiche bereitstellt. Der oxidierte Bereich kann beispielsweise in einer Oxidapertur angeordnet sein, die die mindestens zwei Lichtemissionsbereiche umgibt.
  • Der optische Resonator kann ferner einen Phototransistor (PT) oder einen verteilten Bipolarphototransistor mit Heteroübergang (HPT) umfassen. Der HPT umfasst eine Kollektorschicht, eine lichtempfindliche Schicht, eine Basisschicht und eine Emitterschicht. Der HPT ist derart angeordnet, dass eine optische Kopplung zwischen der aktiven Schicht und dem HPT zum Bereitstellen einer aktiven Trägereingrenzung durch den HPT besteht.
  • Die Verwendung eines der aktiven Schicht besonders nahen (monolithisch integrierten) HPT kann eine effiziente Ladungsträgereingrenzung durch Steuern der Trägerinjektion in Abhängigkeit von der lokalen Intensität des tatsächlichen Profils der Lasermode, die durch die mit Hilfe der optischen Führungsstruktur vorgesehene optische Führung beeinflusst wird, ermöglichen. Dadurch kann die Trägerinjektion lokal an die Anforderung der Lasermode angepasst werden und umgekehrt. Der HPT wirkt effektiv als Strombegrenzungsschicht oder -struktur. Der Vorteil der Hinzufügung des Phototransistors besteht darin, dass er eine leichte optische Modulation in eine starke Differenzierung von Laser- und Nicht-Laserbereichen umwandelt, den Stromfluss zwischen den segmentierten Bereichen hemmt und so den Wirkungsgrad erhöht. Der HPT unterstützt daher die Trennung der optischen Moden, indem er beispielsweise eine leichte optische Führung, die durch die Führungsstruktur bereitgestellt wird, verstärkt.
  • Der HPT mit dem optisch empfindlichen Kollektorbasisübergang kann so ausgelegt sein, dass eine optische Absorption vermieden wird. Die lichtempfindliche Schicht kann eine Quantentopfschicht oder eine Masseschicht sein. Masseschichten sind beispielsweise einheitliche Schichten mit einer Dicke von 10 nm oder mehr, in denen quantenmechanische Effekte vernachlässigt werden können.
  • Der HPT ist innerhalb des VCSEL derart angeordnet, dass die Empfindlichkeit gegenüber Licht, das mit Hilfe der aktiven Schicht des VCSEL in Kombination mit dem optischen Resonator erzeugt wird, welcher durch den ersten und zweiten DBR bereitgestellt wird, ausreichend hoch ist. Bei dem HPT kann es sich beispielsweise um einen pnp-HPT handeln, der direkt über der aktiven Schicht, also auf der von dem üblicherweise n-leitenden Substrat abgewandten Seite der aktiven Schicht, angeordnet ist. In einem alternativen Ansatz kann es möglich sein, einen npn-HPT direkt unter der aktiven Schicht anzuordnen. Direkt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der pnp-HPT oder der npn-HPT möglichst nahe an der aktiven Schicht angeordnet ist. Dies schließt nicht aus, dass es eine oder mehrere Zwischenschichten gibt, die möglicherweise erforderlich sind, um beispielsweise die Leistung und/oder Zuverlässigkeit des VCSEL zu verbessern. Es kann auch möglich sein, den HPT im ersten oder im zweiten DBR beispielsweise nach drei oder fünf Spiegelschichtpaaren zu stapeln. Die Schichtstruktur des HPT kann sogar in einem der DBRs integriert sein. Die Dicke einer oder mehrerer der HPT-Schichten kann an die Emissionswellenlänge des VCSEL (Viertelwellenlängen-Schicht) in dem jeweiligen Material angepasst werden. Eine oder mehrere Schichten des HPT können in diesem Fall verwendet werden, um das Reflexionsvermögen des jeweiligen DBR zu erhöhen. Es kann sogar möglich sein, zwei HPTs zu verwenden, einen unter und einen über der aktiven Schicht.
  • Die Positionierung des HPT direkt oberhalb oder unterhalb der aktiven Schicht kann den Vorteil haben, dass aufgrund der geringen lateralen Leitfähigkeit zwischen dem HPT und der aktiven Schicht die optische Mode am besten zum Profil der jeweiligen Ladungsträger passt.
  • Die Konzentration der Dotierstoffe in der Kollektorschicht, der Basisschicht und der Emitterschicht kann kleiner als 1019 cm-3 sein. Die Dotierstoffe der Schichten des HPT verursachen optische Verluste, derart, dass ein niedriges Dotierungsniveau bevorzugt wird. Die Emitterschicht des HPT ist die Schicht mit der höchsten Dotierungskonzentration. Die Konzentration von Dotierstoffen in der Emitterschicht kann beispielsweise so niedrig wie 5*1018 cm-3 oder sogar 2*1018 cm-3 sein. Die Konzentration von Dotierstoffen kann so niedrig wie 1*1018 cm-3 in der Basisschicht und 4*1017 cm-3 in der Kollektorschicht sein, wenn eine Konzentration von Dotierstoffen von 2*1018 cm-3 in der Emitterschicht ist, um optische Verluste mit Hilfe der Ladungsträger zu reduzieren.
  • Die Dicke der Basisschicht kann 100 nm oder weniger betragen. Der HPT kann ein pnp-HPT sein, der zwischen der aktiven Schicht und dem zweiten DBR angeordnet ist.
  • Die Basisschicht kann in diesem Fall eine Dicke von etwa λ/4 der Emissionswellenlänge des VCSEL im Material der Basisschicht aufweisen.
  • Die Emissionswellenlänge kann vom Material des Substrats abhängen. Ein GaAs-Substrat kann für eine Emissionswellenlänge zwischen 650 nm und etwa 1600 nm verwendet werden. Ein VCSEL mit einem InP-Substrat kann Laserlicht mit einer Emissionswellenlänge von mehr als oder sogar sehr viel mehr als 1500 nm emittieren. Die Dicke der Kollektorschicht kann im Bereich von λ/2 der Emissionswellenlänge des VCSEL im Material liegen.
  • Die Führungsstruktur kann außerhalb eines Stromflusses angeordnet sein, der mit Hilfe des ersten elektrischen Kontakts und des zweiten elektrischen Kontakts während des Betriebs der VCSEL-Vorrichtung bereitgestellt werden kann. Das optische Confinement durch die Führungsstruktur wirkt nicht direkt mit der Strombegrenzung, die mit Hilfe des HPT bereitgestellt wird, zusammen. Der Stromfluss wird durch die Führungsstruktur nicht gestört. Es kann eine indirekte Wechselwirkung geben, da die optische Führung die Positionierung der relativen Intensität und daher die Fläche oder genauer das Volumen bestimmt, in dem der HPT leitfähig wird. Die Trennung von in diesem Fall optischer Führung und Strombegrenzung kann eine definierte Position der getrennten relativen Intensitätsmaxima ermöglichen. Das Lenken des elektrischen Stroms durch den HPT verbessert den Wirkungsgrad, und der HPT verhindert einen Strom entlang nicht-lasernder Teile, was durch einen lokalen Ausfall einer der Schichten der VCSEL-Vorrichtung verursacht werden kann.
  • Die Führungsstruktur kann beispielsweise derart angeordnet sein, dass sie für Bereiche über den lateralen Querschnitt des optischen Resonators eine effektive optische Länge vorsieht, wobei ein resonanter Laserbetrieb ermöglicht wird, der durch Bereiche mit einer anderen effektiven optischen Länge, die den Laserbetrieb unterbindet, unterbrochen wird.
  • Die Führungsstruktur kann beispielsweise angeordnet sein, um die effektive optische Länge des optischen Resonators in den Bereichen zu reduzieren, in denen ein resonanter Laserbetrieb unterbunden wird. Eine Reduktion der effektiven optischen Längen kann beispielsweise durch lokale Oxidation einer oder mehrerer Schichten des ersten oder des zweiten DBR, wie oben beschrieben, ermöglicht werden.
  • Die Führungsstruktur kann alternativ oder zusätzlich angeordnet sein, dass sie die effektive optische Länge des optischen Resonators in den Bereichen erhöht, in denen ein resonanter Laserbetrieb möglich ist. Eine weitere strukturierte Schicht (z.B. SiO2 oder SiNx) kann vorgesehen sein oder eine Dicke von einer oder mehreren Halbleiterschichten (z.B. eine oder mehrere AlyGa(1-y)As-Schichten) können strukturiert werden, um Resonanzbedingungen in der lateralen Richtung des optischen Resonators zu verändern. Die Führungsstruktur kann in der Schichtstruktur des ersten oder zweiten DBR eingebettet sein. Der entsprechende DBR kann in diesem Fall ein dielektrischer DBR mit Paaren von nicht-leitenden dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes sein, wie beispielsweise Nb2O5-, TiO2-, TaO2-, Si3N4- und SiO2-Schichten.
  • Die Führungsstruktur kann alternativ oder zusätzlich angeordnet sein, um eine lokale Strombegrenzung an den mindestens zwei Lichtemissionsbereichen vorzusehen. Die Führungsstruktur kann beispielsweise die erste oder die zweite Elektrode umfassen, wobei die erste oder die zweite Elektrode angeordnet ist, um eine elektrische Stromverteilung in Übereinstimmung mit der Intensitätsverteilung über die aktive Schicht hervorzurufen. Die erste oder zweite Elektrode kann beispielsweise strukturiert sein, um eine lokale Strominduktion zu ermöglichen. Die Führungsstruktur kann alternativ oder zusätzlich mindestens eine Schicht mit reduzierter lateraler elektrischer Leitfähigkeit in Bereichen aufweisen, die einem Bereich reduzierter Intensität zwischen den mindestens zwei Lichtemissionsbereichen entsprechen. Ein Dotierungsprofil einer oder mehrerer Halbleiterschichten kann beispielsweise derart angeordnet sein, dass die elektrische Leitfähigkeit zu den Lichtemissionsbereichen erhöht und die elektrische Leitfähigkeit der Bereiche zwischen den Lichtemissionsbereichen reduziert wird.
  • Die VCSEL-Vorrichtung kann derart angeordnet sein, dass Laserlicht durch das Substrat (unterer Emitter) emittiert wird. Untere Emitter ermöglichen, wie oben beschrieben, eher große aktive Bereiche. Der untere Emitter oder der optische Resonator kann eine erweiterte optische Kavität über das Substrat aufweisen. Die Führungsstruktur kann eine laterale Strukturierung einer der ersten Seite des Substrats gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats umfassen. Die Führungsstruktur kann alternativ oder zusätzlich weitere Schichten umfassen, die auf der zweiten Seite des Substrats aufgebracht sind und die Führung der separaten relativen Intensitätsmaxima unterstützen (wobei eine laterale Variation von optischer Rückkopplung innerhalb der erweiterten optischen Kavität vorgesehen wird).
  • Die VCSEL-Vorrichtung kann einen optischen Sensor umfassen. Der optische Sensor kann in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung beinhaltet sein. Der optische Sensor kann alternativ in Kraftfahrzeuganwendungen, insbesondere für autonomes Fahren, verwendet werden. Die VCSEL-Vorrichtung kann ferner in Anordnungsanwendungen beispielsweise beim Drucken oder bei Hochleistungsanwendungen wie Additive Fertigung verwendet werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • Bereitstellen eines ersten elektrischen Kontakts,
    • Bereitstellen eines Substrats,
    • Bereitstellen eines ersten DBR,
    • Bereitstellen einer aktiven Schicht,
    • Bereitstellen eines zweiten DBR,
    • Bereitstellen eines zweiten elektrischen Kontakts,
    • Bereitstellen einer Führungsstruktur, die angeordnet ist, um ein erstes relatives Intensitätsmaximum einer Intensitätsverteilung innerhalb der aktiven Schicht an einer ersten lateralen Position des optischen Resonators derart zu definieren, dass ein erster Lichtemissionsbereich vorgesehen wird, wobei die Führungsstruktur angeordnet ist, um mindestens ein zweites relatives Intensitätsmaximum der Intensitätsverteilung in der aktiven Schicht an einer zweiten lateralen Position des optischen Resonators derart zu definieren, dass ein zweiter Lichtemissionsbereich vorgesehen wird, wobei die Führungsstruktur ferner angeordnet ist, um eine Intensität der Intensitätsverteilung zwischen den mindestens zwei Lichtemissionsbereichen während des Betriebs der oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung zu reduzieren.
  • Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der oben angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Die Führungsstruktur kann beispielsweise durch den ersten elektrischen Kontakt, den ersten DBR, den zweiten DBR oder den zweiten elektrischen Kontakt gebildet sein. Gegebenenfalls kann das Substrat entfernt werden. Die verschiedenen Schichten können durch epitaktische Verfahren wie MOCVD, MBE und dergleichen abgeschieden werden.
  • Es versteht sich, dass die oben beschriebene VCSEL-Vorrichtung und das Verfahren ähnliche und/oder identische Ausführungsformen haben, insbesondere wie in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Es versteht sich, dass eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung auch jede Kombination der abhängigen Ansprüche mit dem jeweiligen unabhängigen Anspruch sein kann.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind im Folgenden definiert.
  • Figurenliste
  • Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme auf diese erläutert.
  • Die Erfindung wird nun beispielhaft anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • In den Zeichnungen:
    • 1 zeigt eine Prinzipskizze eines Querschnitts einer ersten VCSEL-Vorrichtung mit Führungs struktur
    • 2 zeigt eine Prinzipskizze eines Querschnitts einer zweiten VCSEL-Vorrichtung mit Führungsstruktur
    • 3 zeigt eine Prinzipskizze einer Draufsicht einer dritten VCSEL-Vorrichtung
    • 4 zeigt eine Prinzipskizze eines Querschnitts einer vierten VCSEL-Vorrichtung
    • 5 zeigt eine Prinzipskizze eines Querschnitts einer fünften VCSEL-Vorrichtung
    • 6 zeigt eine Prinzipskizze eines optischen Sensors, der die VCSEL-Vorrichtung umfasst
    • 7 zeigt eine Prinzipskizze einer mobilen Kommunikationsvorrichtung, die den optischen Sensor umfasst
    • 8 zeigt eine Prinzipskizze eines Prozessablaufs eines Verfahrens zum Herstellen einer VCSEL-Vorrichtung
  • In den Abbildungen beziehen sich gleiche Bezugsnummern auf gleiche Objekte. Objekte in den Abbildungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN:
  • Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun mit Hilfe der Abbildungen beschrieben.
  • 1 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten VCSEL-Vorrichtung 100 mit Führungsstruktur 132. Die erste VCSEL-Vorrichtung 100 ist ein unten emittierender VCSEL, der Laserlicht durch ein Substrat 110 emittiert (Emissionsrichtung wird durch den Pfeil dargestellt). Die Emissionswellenlänge der VCSEL-Vorrichtung 100 muss daher derart angeordnet sein, dass das (z.B. aus GaAs bestehende) Substrat 110 in Bezug auf die Emissionswellenlänge transparent ist. Auf einer ersten Seite des Substrats 110 befindet sich ein erster DBR 115, der 25 Schichtpaare mit einem ersten und einem zweiten Brechungsindex aufweist. Die Schichtpaare des ersten DBR 115 umfassen AlGaAs/GaAs-Schichten. Die Dicke der Schichten ist an die Emissionswellenlänge des VCSEL angepasst, um das angeforderte Reflexionsvermögen von etwa 98 % vorzusehen. Der erste DBR 115 wird teilweise geätzt, um einen ersten elektrischen Kontakt 105 (n-Kontakt) abzuscheiden. Die Schicht des ersten DBR 115, auf dem der erste elektrische Kontakt 105 vorgesehen ist, kann sich durch eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit (hohe Dotierung) auszeichnen, um den elektrischen Strom in lateraler Richtung parallel zur Schichtstruktur der VCSEL-Vorrichtung 100 (Stromverteilungsschicht) zu verteilen. Eine aktive Schicht 120 ist oben auf dem ersten DBR 115 vorgesehen. Ein zweiter DBR 130 ist oben auf der aktiven Schicht 120 vorgesehen. Der zweite DBR 130 umfasst 40 Schichtpaare mit einem ersten und einem zweiten Brechungsindex. Die Schichtpaare des zweiten DBR 130 umfassen wiederum AlGaAs/GaAs-Schichten. Die Dicke des Schichtpaares ist an die Emissionswellenlänge des VCSEL angepasst, um das angeforderte Reflexionsvermögen von mehr als 99,9 % vorzusehen. Ein zweiter elektrischer Kontakt 135 (p-Kontakt) bedeckt den zweiten DBR 130. Eine Führungsstruktur 132 ist im zweiten DBR 130 integriert. Die Führungsstruktur 132 kann oxidierte Bereiche einer oder mehrerer Schichten des zweiten DBR 130 aufweisen, um eine laterale Variation der Resonanzbedingung über dem aktiven Bereich 128 (siehe 3) der aktiven Schicht 121 bereitzustellen, wie von der durch die Strombegrenzungsschicht 123 bereitgestellte Oxidapertur definiert wird. Die Führungsstruktur 132 kann alternativ oder zusätzlich mehrere Schichten des zweiten DBR 130 mit variierendem Dotierungsprofil umfassen, um eine laterale Variation der elektrischen Leitfähigkeit (anschließendes Protonenimplantat, Diffusionsdotierung usw.) bereitzustellen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden eine oder mehrere Zwischenschichten nicht dargestellt, die zum Beispiel verwendet werden können, um Gitterkonstanten zu entsprechen.
  • 2 zeigt eine Hauptskizze einer zweiten VCSEL-Vorrichtung 100 mit Führungsstruktur 132. Die zweite VCSEL-Vorrichtung 100 umfasst eine Anordnung von unten emittierenden VCSELs, die auf einem gemeinsamen Substrat 110 angeordnet sind. Jeder VCSEL der VCSEL-Anordnung weist eine ähnliche Schichtanordnung auf, wie mit Bezug auf 1 beschrieben wird. Jeder VCSEL der VCSEL-Anordnung ist mit einer Linsenstruktur 112 gekoppelt, die auf einer der ersten Seite des Substrats 110 gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats 110 geätzt ist. Die Linsenstruktur 112 ist derart angeordnet, dass sie das Laserlicht fokussiert, das über die zweite Seite des Substrats 110 emittiert wird (durch den Pfeil dargestellt). Die Linsenstruktur 112 sieht ferner aufgrund der Unterschiede im Brechungsindex (GaAs~3,4 und Luft 1) eine optische Rückkopplung vor. Die Linsenstruktur 112 ist daher ein Teil des optischen Resonators und definiert eine erweiterte optische Kavität. Jeder VCSEL der VCSEL-Anordnung ist daher ein oberflächenemittierender Laser mit externem vertikalen Resonator (VECSEL). Ein weiterer Unterschied in Bezug auf die in 1 gezeigte VCSEL-Vorrichtung 100 ist, dass die Führungsstruktur 132 nicht im zweiten DBR 130 integriert ist. Die Führungsstruktur 132 umfasst eine strukturierte zweite Elektrode. Die strukturierte zweite Elektrode sorgt für eine lokale Induktion von elektrischem Strom, um separate relative Intensitätsmaxima elektrisch zu pumpen, derart, dass es eine Vielzahl von Lichtemissionsflächen gibt. Ferner trägt das Metall der zweiten Elektrode zum Reflexionsvermögen des p-DBR bei und strukturiert ihn lateral und unterstützt dadurch die diesbezügliche Führung.
  • 3 zeigt eine Prinzipskizze einer Draufsicht einer dritten VCSEL-Vorrichtung 100 über die aktive Schicht 120. Der Querschnitt zeigt eine Anordnung von sechs unten emittierenden VCSELs über die aktive Schicht. Die allgemeine Konfiguration jedes VCSELs ist ähnlich, wie mit Bezug auf 1 erläutert wird. Der zweite elektrische Kontakt 135 bedeckt den zweiten DBR 130 vollständig (siehe auch 4). Der zweite elektrische Kontakt 135 trägt zum Reflexionsvermögen der zweiten reflektierenden Struktur mit dem zweiten DBR bei. Der zweite elektrische Kontakt ist angeordnet, um eine laterale Variation des Reflexionsvermögens zu bieten, derart, dass die Resonanzbedingungen lateral über den optischen Resonator variieren, um separate optische Moden mit einem ausgeprägten Intensitätsprofil bereitzustellen, damit es sieben Lichtemissionsbereiche 124 innerhalb des aktiven Bereichs 128 der jeweiligen aktiven Schicht 120 gibt. Jeder VCSEL kann optional eine strukturierte Stromverteilungsschicht (nicht dargestellt) umfassen, die die optische Führung unterstützt, indem der Strom an Positionen induziert wird, an denen die Resonanzbedingungen des optischen Resonators die Emission von Laserlicht ermöglichen. Die Kavitätsverstärkung kann durch ein unterschiedliches Reflexionsvermögen der Spiegel, in diesem Fall des zweiten DBR 130 (p-DBR), lateral geändert werden, da seine Oberfläche leicht für die Verarbeitung zugänglich ist. Das Strukturieren von beispielsweise der Deckschichtdicke (äußerste Schicht im zweiten DBR) durch Ätzen, Ändern des Reflexionsvermögens der zweiten (Metall-) Elektrode 130, wie oben erläutert, oder partielles Abscheiden von Materialien, die das Reflexionsvermögen ändern, ermöglicht eine solche Führungsstruktur. Eine spezifische Klasse solcher Materialien sind dichroitische Materialien, die auch eine lokale elektrische Isolierung und/oder Variation der optischen Rückkopplung ermöglichen würden.
  • 4 zeigt eine Prinzipskizze einer vierten VCSEL-Vorrichtung 100 mit Führungsstruktur 132. Die Anordnung ist sehr ähnlich, wie mit Bezug auf 2 erläutert wurde. Die zweite Elektrode 135 der VCSELs der VCSEL-Anordnung bedeckt den zweiten DBR 130 vollständig. Die zweite Seite des Substrats 110 steht im Gegensatz zu der in Bezug auf 2 erörterten Ausführungsform, die derart angeordnet ist, dass eine lateral variierende optische Rückkopplung über jeden aktiven Bereich bereitgestellt wird. Die zweite Seite des Substrats 110 wird geätzt, wobei eine Führungsstruktur 132 gebildet wird. Die lokalisierte externe Rückkopplung der Führungsstruktur 132 über den jeweiligen aktiven Bereich verstärkt lokale (relative) Intensitätsmaxima der Intensitätsverteilung in der aktiven Schicht 120. Alternativ kann eine strukturierte Glasplatte vorgesehen sein, um eine solche lokale optische Rückkopplung zu ermöglichen. Es ist möglich, nur eine lokale Modulation der flachen Oberflächenrückkopplung vorzusehen, d. h. Regionen mit höherem und geringerem Reflexionsvermögen, wie mit Bezug auf 3 erläutert wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine stabile Kavität auf einer thermischen Linse im Material beruht. Aufgrund der Symmetrie und des Haupteinflusses des Wärmeflusses zur Außenseite der Mesastrukturen des jeweiligen VCSEL bedeckt eine solche thermische Linse höchstwahrscheinlich den gesamten unteren Emitter und zeigt nicht die gewünschte Unterstruktur. Daher kann es vorteilhaft sein, eine Führungsstruktur 132 mit vielen kleinen gekrümmten Spiegeln, wie in 4 dargestellt, anstelle einer einfachen flachen Oberfläche mit moduliertem Reflexionsvermögen zu verwenden. Eine andere Ausführungsform wären kleine Mikrolinsen und ein flacher (gemeinsamer) Spiegel, der die Anordnung stabiler Kavitäten innerhalb des großen elektrisch gepumpten Bereichs jedes VCSEL der VCSEL-Anordnung bildet.
  • 5 zeigt eine Prinzipskizze eines Querschnitts einer fünften VCSEL-Vorrichtung 100. Die fünfte VCSEL-Vorrichtung 100 ist ein VCSEL, der Laserlicht vom Substrat 110 weg emittiert (oberer Emitter, Laseremission durch den Pfeil dargestellt). Auf der zweiten Seite des Substrats 110 ist ein erster elektrischer Kontakt 105 vorgesehen. Auf der ersten Seite des Substrats 110 befindet sich ein erster DBR 115, der 40 Schichtpaare mit einem ersten und einem zweiten Brechungsindex aufweist. Die Schichtpaare des ersten DBR 115 umfassen AlGaAs/GaAs-Schichten. Die Dicke der Schichten ist an die Emissionswellenlänge der VCSEL-Vorrichtung 100 angepasst, um das erforderliche Reflexionsvermögen von mehr als 99,9 % vorzusehen. Auf dem ersten DBR 115 ist eine aktive Schicht 120 vorgesehen. Die aktive Schicht 120 umfasst eine Quantentopfstruktur zur Lichterzeugung. Eine n-Strominjektionsschicht (nicht dargestellt) kann zwischen dem ersten DBR 115 und der aktiven Schicht 120 angeordnet sein. Ein verteilter HPT 125 ist oben auf der aktiven Schicht 120 vorgesehen. Eine Stromaufweitungsschicht 127 ist oben auf dem verteilten HPT 125 angeordnet. Ein zweiter DBR 130 ist oben auf der Stromaufweitungsschicht 127 vorgesehen. Der zweite DBR 130 ist ein dielektrischer DBR mit Paaren von nicht-leitenden dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wie beispielsweise Mb2O5-, TiO2-, TaO2-, Si3N4- und SiO2-Schichten. Die Anzahl der Schichtpaare hängt von den Materialien und dem beabsichtigten Reflexionsvermögen ab. Die Dicke der Schichtpaare ist an die Emissionswellenlänge der VCSEL-Vorrichtung 100 angepasst, um das erforderliche Reflexionsvermögen von etwa 97 % vorzusehen. Ein ringförmiger zweiter elektrischer Kontakt 135 ist um den zweiten dielektrischen DBR 130 über der Stromaufweitungsschicht angeordnet. Die VCSEL-Vorrichtung 100 emittiert über den zweiten dielektrischen DBR 130 Laserlicht in die Pfeilrichtung. Die Führungsstruktur 132 umfasst eine strukturierte SiO2-Schicht. Die strukturierte SiO2-Schicht ist zwischen der Stromaufweitungsschicht 127 und dem zweiten DBR 130 eingebettet. Die SiO2-Schicht wird oben auf der Stromaufweitungsschicht 127 abgeschieden und anschließend geätzt, um eine laterale Variation der optischen Rückkopplung bereitzustellen. Die dielektrischen Schichten des zweiten DBR 130 werden anschließend auf der Oberseite der strukturierten SiO2-Schicht und der Stromaufweitungsschicht 127, in der die Stromaufweitungsschicht 127 durch Ätzen der SiO2-Schicht exponiert wurde, abgeschieden. Die strukturierte SiO2-Schicht erhöht die effektive optische Länge lokal und damit die Resonanzbedingung des optischen Resonators, derart, dass ein Lasern nur an den Positionen von Resten der strukturierten SiO2-Schicht ermöglicht wird.
  • 6 zeigt einen Querschnitt eines optischen Sensors 300. Der optische Sensor 300 umfasst eine wie oben beschriebene VCSEL-Vorrichtung 100, ein Übertragungsfenster 310 und eine Ansteuerschaltung 320 zum elektrischen Antreiben der VCSEL-Vorrichtung 100. Die Ansteuerschaltung 320 ist mit der VCSEL-Vorrichtung 100 elektrisch verbunden, um die VCSEL-Vorrichtung 100 in definierter Weise mit elektrischer Energie zu versorgen. Die Ansteuerschaltung 320 umfasst eine Speichervorrichtung zum Speichern von Daten und Befehlen, damit die Ansteuerschaltung 320 betrieben werden kann, und eine Verarbeitungseinheit zum Ausführen von Daten und Befehlen, damit die Ansteuerschaltung 320 betrieben werden kann. Der optische Sensor 300 umfasst ferner einen Photodetektor 350 und eine Auswerteeinrichtung 360. Der Photodetektor 350 ist in diesem Fall eine Photodiode, kann jedoch eine beliebige bevorzugte Halbleitervorrichtung sein, die verwendet werden kann, um Laserlicht, das von der VCSEL-Vorrichtung 100 emittiert wird, zu erfassen. Der Photodetektor 350 sollte für die Photonen, die von der VCSEL-Vorrichtung 100 emittiert werden, möglichst empfindlich sein und sollte eine schnelle Messzeit haben. Bevorzugte Technologien sind z. B. Lawinenphotodioden oder ganz besonders sogenannte SPADs (Einzelphoton-Lawinendioden) sowie Anordnungen davon. Die Auswerteeinrichtung 360 umfasst mindestens eine Speichervorrichtung, wie einen Speicherchip, und mindestens eine Verarbeitungsvorrichtung, wie einen Mikroprozessor. Die Auswerteeinrichtung 360 ist ausgebildet, um Daten von der Ansteuerschaltung 320 und optional vom Photodetektor 350 oder der VCSEL-Vorrichtung 100 zu empfangen, um eine Zeit t1 zu bestimmen, zu der emittiertes Laserlicht 315 den optischen Sensor 300 verlässt. Die Auswerteeinrichtung 360 bestimmt ferner auf der Grundlage dieser Zeit t1 und der Wiederholungsrate, die durch die Ansteuerschaltung 320 bereitgestellt wird, ob reflektiertes Laserlicht 317, das von der Photodiode erfasst wird, vom Laserimpuls stammt, der zum Zeitpunkt t1 emittiert wird. Eine Zeit t2 wird aufgezeichnet, wenn das reflektierte Laserlicht 317 vom Laserimpuls stammt und der Abstand zu dem den Laserpuls reflektierenden Objekt anhand der Flugzeit Δt=t2-t1 und der Geschwindigkeit des Laserimpulses c berechnet wird. Ein kleiner Teil des emittierten Laserlichts 315 kann am Übertragungsfenster 310 reflektiert und als Steuersignal 319 verwendet werden. Das Steuersignal 319 wird mit Hilfe des Photodetektors 350 viel früher empfangen als das reflektierte Laserlicht 317.
  • Die Auswerteeinrichtung 360 kann daher zwischen dem Empfang des Steuersignals 319 und des reflektierten Laserlichts 317 unterscheiden. Die Signalstärke des empfangenen Steuersignals 319 wird mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 360 mit einer Referenzsignalstärke verglichen, die in der Speichervorrichtung der Auswerteeinrichtung 360 gespeichert ist. Die Auswerteeinrichtung 360 sendet ein Leistungsreduzierungssignal an die Ansteuerschaltung 320, sobald die Signalstärke des empfangenen Steuersignals 319 einen Schwellenwert überschreitet, der auf der Referenzsignalstärke basiert, um die Augensicherheit des optischen Sensors 300 zu garantieren. Die Zeit zwischen dem Empfang des Steuersignals 319 und des reflektierten Laserlichts 317 kann ziemlich kurz sein. Es kann daher vorteilhaft sein, ein von dem emittierten Laserlicht 315 unabhängiges, separates Steuersignal 319 zu verwenden. Das separate Steuersignal 319 kann ein sehr kurzer Laserimpuls sein, der zwischen zwei Laserimpulsen des emittierten Laserlichts 315 emittiert wird. Weiterhin kann es günstig sein, eine Rückkopplungsstruktur im Übertragungsfenster 310 zu implementieren, so dass die Signalstärke des Steuersignals 319 ausreichend hoch ist. Die Rückkopplungsstruktur kann beispielsweise ein kleiner Teil der Oberfläche des Übertragungsfensters 310 sein, der in Bezug auf den Rest der Oberfläche des Übertragungsfensters 310 geneigt ist. Position und Neigungswinkel werden so gewählt, dass das Steuersignal 319 auf den Photodetektor 350 gerichtet wird.
  • 7 zeigt eine Prinzipskizze einer mobilen Kommunikationsvorrichtung 380, die einen optischen Sensor 300 umfasst, der jenem mit Bezug auf 6 beschriebenen ähnlich ist. Der optische Sensor 300 kann beispielsweise in Kombination mit einer Software-Anwendung verwendet werden, die auf der mobilen Kommunikationsvorrichtung 380 läuft. Die Software-Anwendung kann den optischen Sensor 300 zum Erfassen von Anwendungen verwenden. Solche Abtastanwendungen können Flugzeitmessungen zur Abstandserfassung, Kamera-Autofokus, 3D-Bildgebung einer Szene oder eine gestenbasierte Benutzerschnittstelle sein.
  • 8 zeigt eine Prinzipskizze eines Prozessablaufs eines Verfahrens zum Herstellen einer VCSEL-Vorrichtung 100. Ein GaAs-Substrat 110 wird in Schritt 410 bereitgestellt. Ein erster DBR 115 wird auf einer ersten Seite des Substrats 110 in Schritt 420 bereitgestellt und eine aktive Schicht 120 wird in einem nachfolgenden Schritt 430 oben auf dem ersten DBR 115 bereitgestellt. Ein zweiter DBR 130 wird in Schritt 440 oben auf der aktiven Schicht 120 vorgesehen. Ein erster elektrischer Kontakt 105 wird in Schritt 450 vorgesehen. Der erste elektrische Kontakt 105 ist an einer zweiten Seite des Substrats 110 angebracht. Ein zweiter elektrischer Kontakt 135 ist vorgesehen, um die VCSEL-Vorrichtung zusammen mit dem ersten elektrischen Kontakt 105 in Schritt 460 elektrisch zu pumpen. Eine Führungsstruktur 132 wird in Schritt 470 vorgesehen.
  • Weitere Ansätze zum Implementieren der Führungsstruktur 132 können Folgende sein:
    1. 1. In einem unteren Emitter mit großem Durchmesser können beispielsweise lokalisierte Bereiche durch Oxidation definiert werden. Während der untere Emitter mit großem Durchmesser durch Mesa-Ätzen und Oxidation von außerhalb der Mesastruktur erzeugt wird, kann für die lokale Trennung eine Oxidation durch kleine Löcher, die in die Oberfläche geätzt sind, erfolgen. Dies ermöglicht einen engen Abstand der lokalisierten Bereiche innerhalb des großen unteren Emitters, wodurch ein optisch nahezu kontinuierlicher, großer Emitter bereitgestellt wird. Es sollte beachtet werden, dass selbst eine nicht perfekte elektrische Isolierung durch die Oxidation tolerierbar ist, da die optische Trennung mit oxidiertem Aluminium aufgrund des großen Brechungsindexschrittes sehr stark ist. Eine nicht perfekte elektrische Isolierung kann daher den Wirkungsgrad reduzieren (da Strom in Nicht-Laserregionen injiziert wird), aber die relativen Intensitätsmaxima bleiben getrennt. Die gesamte Struktur kann eine durchgehende Metallelektrode aufweisen, die mit dem elektrischen Treiber verbunden ist.
    2. 2. Eine elektrische Trennung kann auch durch Protonenimplantation, ähnlich den obigen Beschreibungen, erzielt werden, jedoch mit dem Unterschied, dass die Protonenimplantation keine starke optische Führungswirkung hervorruft. Eine elektrische Trennung kann mit einem anderen Verfahren, wie die oben beschriebenen Verfahren, zum optischen Führen kombiniert werden.
    3. 3. Die Unterstruktur für lokalisierte optische Moden kann durch eine erdverlegte Heterostruktur eingeführt werden. Dies bedeutet, dass der Wafer während des Wachstums aus dem Epi-Reaktor entnommen und durch Lithographie und Ätzen lateral strukturiert wird. Danach ist die Entwicklung abgeschlossen. Dies ergibt nur einen Teil des DBR, der den Resonanzbedingungen entspricht.
    4. 4. Die Führungsstruktur 132 kann eine Verstärkungsführungsstruktur sein, die durch einfaches Strukturieren des Anodenmetalls oder die elektrische Verbindung des Halbleiters mit diesem Anodenmetall gestaltet werden kann. Die laterale Leitfähigkeit des p-DBR muss niedrig gehalten werden, um die Trennung der relativen Intensitätsmaxima (und der entsprechenden optischen Mode oder der entsprechenden optischen Moden) durch Vermeiden hochdotierter Schichten zu maximieren.
  • Auch wenn die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, sind eine derartige Darstellung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht einschränkend zu betrachten.
  • Beim Lesen der vorliegenden Offenbarung werden sich dem Fachmann andere Modifikationen erschließen. Solche Änderungen können andere Merkmale umfassen, die bereits im Stand der Technik bekannt sind und die anstelle von oder zusätzlich zu Merkmalen, die bereits hierin beschrieben sind, verwendet werden können.
  • Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche verstanden und bewirkt werden. In den Patentansprüchen schließt das Wort „umfassen“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“, „eine“ oder „eines“ schließt eine Mehrzahl der Elemente oder Schritte nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, weist nicht daraufhin, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht von Vorteil sein könnte.
  • Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen des Umfangs davon auszulegen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    VCSEL-Vorrichtung
    105
    erster elektrischer Kontakt
    110
    Substrat
    112
    Linsenstruktur
    115
    erster verteilter Bragg-Spiegel
    120
    aktive Schicht
    123
    Strombegrenzungsschicht
    124
    Lichtemissionsbereich
    125
    verteilter Bipolarphototransistor mit Heteroübergang
    127
    Stromaufweitungsschicht
    128
    aktiver Bereich
    130
    zweiter verteilter Bragg-Spiegel
    132
    Führung s struktur
    135
    zweiter elektrischer Kontakt
    300
    optischer Sensor
    310
    Übertragungsfenster
    315
    emittiertes Laserlicht
    317
    reflektiertes Laserlicht
    319
    Steuersignal
    320
    Ansteuerschaltung
    350
    Photodetektor
    360
    Auswerteeinrichtung
    380
    mobile Kommunikationsvorrichtung
    410
    Schritt des Bereitstellens eines Substrats
    420
    Schritt des Bereitstellens eines ersten verteilten Bragg-Spiegels
    430
    Schritt des Bereitstellens einer aktiven Schicht
    440
    Schritt des Bereitstellens eines zweiten verteilten Bragg-Spiegels
    450
    Schritt des Bereitstellens eines ersten elektrischen Kontakts
    460
    Schritt des Bereitstellens eines zweiten elektrischen Kontakts
    470
    Schritt des Bereitstellens einer Führungsstruktur

Claims (15)

  1. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100), wobei die oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) einen ersten elektrischen Kontakt (105), ein Substrat (110), einen zweiten elektrischen Kontakt (135) und einen optischen Resonator umfasst, wobei der optische Resonator auf einer ersten Seite des Substrats (110) angeordnet ist, und der optische Resonator eine erste reflektierende Struktur mit einem ersten verteilten Bragg-Spiegel (115), eine zweite reflektierende Struktur mit einem zweiten verteilten Bragg-Spiegel (130), eine aktive Schicht (120) zwischen der ersten reflektierenden Struktur und der zweiten reflektierenden Struktur und eine Führungsstruktur (132) umfasst, wobei die Führungsstruktur (132) angeordnet ist, um ein erstes relatives Intensitätsmaximum einer Intensitätsverteilung innerhalb der aktiven Schicht (120) an einer ersten lateralen Position des optischen Resonators derart zu definieren, dass ein erster Lichtemissionsbereich (124) vorgesehen wird, wobei die Führungsstruktur (132) angeordnet ist, um mindestens ein zweites relatives Intensitätsmaximum der Intensitätsverteilung innerhalb der aktiven Schicht (120) an einer zweiten lateralen Position des optischen Resonators derart zu definieren, dass ein zweiter Lichtemissionsbereich (124) vorgesehen wird, wobei die Führungsstruktur (132) ferner angeordnet ist, um eine Intensität der Intensitätsverteilung zwischen den mindestens zwei Lichtemissionsbereichen (124) während des Betriebs der oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) zu reduzieren, und wobei die Führungsstruktur (132) innerhalb eines Schichtstapels des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115) oder des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (130) angeordnet ist.
  2. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Führungsstruktur (132) innerhalb eines Schichtstapels des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115) oder des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (130) in einer vertikalen Richtung der oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) angeordnet ist.
  3. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Führungsstruktur (132) angeordnet ist, um eine Intensität von mindestens einer optischen Mode, die zu mindestens einem ersten oder zweiten relativen Intensitätsmaximum beiträgt, außerhalb des mindestens ersten oder des zweiten Lichtemissionsbereichs (124) derart zu reduzieren, dass eine laterale Ausbreitung der Lichtemissionsbereiche (124) an die jeweilige laterale Position des optischen Resonators gebunden ist.
  4. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (132) angeordnet ist, um eine laterale Variation eines Reflexionsvermögens der ersten reflektierenden Struktur oder der zweiten reflektierenden Struktur parallel zur aktiven Schicht (120) vorzusehen.
  5. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (132) innerhalb des optischen Resonators angeordnet und vollständig von diesem umschlossen ist.
  6. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (132) eine Variation einer Dicke von mindestens einer Schicht des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115) oder des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (130) aufweist.
  7. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (132) eine laterale Variation eines Reflexionsvermögens des ersten elektrischen Kontakts (105) oder des zweiten elektrischen Kontakts (130) aufweist.
  8. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (132) oxidierte Bereiche innerhalb von mindestens einer Schicht des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115) oder des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (130) aufweist, wobei die oxidierten Bereiche angeordnet sind, um die Intensität zwischen den Lichtemissionsbereichen (124) zu reduzieren.
  9. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Resonator einen verteilten Bipolarphototransistor mit Heteroübergang (125) umfasst, wobei der verteilte Bipolarphototransistor mit Heteroübergang (125) eine Kollektorschicht (125a), eine lichtempfindliche Schicht (125c), eine Basisschicht (125e) und eine Emitterschicht (125f) umfasst, und wobei der verteilte Bipolarphototransistor mit Heteroübergang (125) derart angeordnet ist, dass eine optische Kopplung zwischen der aktiven Schicht (120) und dem verteilten Bipolarphototransistor mit Heteroübergang (125) zum Bereitstellen einer aktiven Trägereingrenzung mit Hilfe des verteilten Bipolarphototransistors mit Heteroübergang (125) besteht; wobei die Führungsstruktur (132) insbesondere außerhalb eines Stromflusses angeordnet ist, der mit Hilfe des ersten elektrischen Kontakts (105) und des zweiten elektrischen Kontakts (135) während des Betriebs der oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) bereitgestellt werden kann.
  10. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (132) angeordnet ist, dass sie für Bereiche über den lateralen Querschnitt des optischen Resonators eine effektive optische Länge vorsieht, wobei ein resonanter Laserbetrieb ermöglicht wird, der durch Bereiche mit einer anderen effektiven optischen Länge, die den Laserbetrieb unterbindet, unterbrochen wird.
  11. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsstruktur (132) angeordnet ist, um eine lokale Strombegrenzung an den Lichtemissionsbereichen (124) vorzusehen.
  12. Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Resonator eine erweiterte optische Kavität über das Substrat (110) aufweist, und wobei die Führungsstruktur (132) eine laterale Strukturierung einer der ersten Seite des Substrats (110) gegenüberliegenden zweiten Seite des Substrats (110) umfasst.
  13. Optischer Sensor (300), der die Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  14. Mobile Kommunikationsvorrichtung (380), die mindestens einen optischen Sensor (300) nach Anspruch 13 umfasst.
  15. Verfahren zum Herstellen eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten elektrischen Kontakts (105), Bereitstellen eines Substrats (110), Bereitstellen eines ersten verteilten Bragg-Spiegels (115), Bereitstellen einer aktiven Schicht (120), Bereitstellen eines zweiten verteilten Bragg-Spiegels (130), Bereitstellen eines zweiten elektrischen Kontakts (135), Bereitstellen einer Führungsstruktur (132), die angeordnet ist, um ein erstes relatives Intensitätsmaximum einer Intensitätsverteilung innerhalb der aktiven Schicht (120) an einer ersten lateralen Position des optischen Resonators derart zu definieren, dass ein erster Lichtemissionsbereich (124) vorgesehen wird, wobei die Führungsstruktur (132) angeordnet ist, um mindestens ein zweites relatives Intensitätsmaximum der Intensitätsverteilung innerhalb der aktiven Schicht (120) an einer zweiten lateralen Position des optischen Resonators derart zu definieren, dass ein zweiter Lichtemissionsbereich (124) vorgesehen wird, wobei die Führungsstruktur (132) ferner angeordnet ist, um eine Intensität der Intensitätsverteilung zwischen den mindestens zwei Lichtemissionsbereichen (124) während des Betriebs der oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator-Vorrichtung (100) zu reduzieren, und wobei die Führungsstruktur (132) innerhalb eines Schichtstapels des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115) oder des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (130) angeordnet ist.
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