DE102019106644A1

DE102019106644A1 - Vertikalresonatoroberflächenemissionslaservorrichtung mit integriertem Tunnelkontakt

Info

Publication number: DE102019106644A1
Application number: DE102019106644.1A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Weichmann; Marcel Franz Christian Schemmann
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Trumpf Photonic Components GmbH
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2019-09-19
Also published as: GB201903496D0; FR3079080A1; US20200403376A1; EP3766150A1; WO2019175399A1; EP3540879A1; CN112470352A; EP3766150B1; GB2573392A

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) (VCSEL-Vorrichtung). Die VCSEL-Vorrichtung (100) umfasst einen ersten elektrischen Kontakt (105), einen zweiten elektrischen Kontakt (150) und einen optischen Resonator. Der optische Resonator umfasst einen ersten verteilten Bragg-Spiegel (115), einen zweiten verteilten Bragg-Spiegel (125) und eine aktive Schicht (120) zur Lichtemission. Die aktive Schicht (120) ist zwischen dem ersten verteilten Bragg-Spiegel (115) und dem zweiten verteilten Bragg-Spiegel (125) angeordnet. Entweder der erste verteilte Bragg-Spiegel (115) oder der zweite verteilte Bragg-Spiegel (125) umfasst einen ersten Teil (115-1, 125-1) mit mindestens einem Paar Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und einen zweiten Teil (115-2, 125-2) mit mindestens einem Paar Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Der erste Teil (115-1, 125-1) und der zweite Teil (115-2, 125-2) sind durch unterschiedliche Leitfähigkeitstypen gekennzeichnet. Zwischen dem ersten Teil (115-1, 125-1) und dem zweiten Teil (115-2, 125-2) ist ein Tunnelkontakt (130) angeordnet. Der erste elektrische Kontakt (105) und der zweite elektrische Kontakt (150) sind derart angeordnet, dass sie den optischen Resonator so elektrisch pumpen, dass der Tunnelkontakt (130) während des Betriebs der VCSEL-Vorrichtung (100) umgekehrt vorgespannt wird. Der Tunnelkontakt ist in einer optimierten Position im ersten oder zweiten verteilten Bragg-Spiegel angeordnet.
Ferner betrifft die Erfindung einen optischen Sensor und ein Laufzeitsensormodul (200), umfassend eine solche VCSEL-Vorrichtung (100). Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer solchen VCSEL-Vorrichtung.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (VCSEL-Vorrichtung) mit integriertem Tunnelkontakt, einem optischen Sensor und einem Time-of-Flight-Sensormodul, das eine solche VCSEL-Vorrichtung umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen einer solchen VCSEL-Vorrichtung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
EP 0 986 846 B1 offenbart ein optoelektronisches Halbleiterbauelement. Das optoelektronische Halbleiterbauelement weist einen aktiven Bereich auf, der über einem Halbleitersubstrat zwischen mindestens einer ersten Resonatorhohlraumschicht und mindestens einer zweiten Resonatorhohlraumschicht angeordnet ist. Die erste und zweite Resonatorhohlraumschicht sind aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps hergestellt. Zwischen dem aktiven Bereich und einer der beiden Resonatorhohlraumschichten sind mindestens eine erste hoch dotierte Übergangsschicht vom ersten Leitfähigkeitstyp und mindestens eine zweite hoch dotierte Übergangsschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps angeordnet, so dass die zweite hoch dotierte, degenerierte Übergangsschicht zwischen dem aktiven Bereich und der ersten hochdotierten, degenerierten Übergangsschicht liegt.
JP 2005 044964 A offenbart einen VCSEL, der ein Substrat, einen oberen verteilten Bragg-Spiegel und einen unteren verteilten Bragg-Spiegel umfasst. Innerhalb des oberen verteilten Bragg-Spiegels ist ein Tunnelkontakt angeordnet.
US 2013/0188659 A1 offenbart einen VCSEL, der einen oberen verteilten Bragg-Spiegel eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen aktiven Bereich und einen unteren verteilten Bragg-Spiegel eines zweiten Leitfähigkeitstyps umfasst. Ein Tunnelkontakt ist in dem oberen verteilten Bragg-Spiegel angeordnet.
US 2001/0050934 A1 offenbart einen VCSEL, der einen oberen verteilten Bragg-Spiegel, einen aktiven Bereich und einen unteren verteilten Bragg-Spiegel umfasst. Ein Tunnelkontakt ist zwischen dem oberen verteilten Bragg-Spiegel und einer Oxidapertur-Schicht angeordnet.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung mit integriertem Tunnelkontakt bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (VCSEL-Vorrichtung) bereitgestellt. Die VCSEL-Vorrichtung umfasst ein Substrat, einen ersten elektrischen Kontakt, einen zweiten elektrischen Kontakt und einen optischen Resonator. Der optische Resonator umfasst einen ersten verteilten Bragg-Spiegel (DBR), einen zweiten DBR und eine aktive Schicht zur Lichtemission. Die aktive Schicht ist zwischen dem ersten DBR und dem zweiten DBR angeordnet und der erste verteilte Bragg-Spiegel ist zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht angeordnet. Entweder der erste DBR oder der zweite DBR umfasst einen ersten Teil mit mindestens einem Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und einen zweiten Teil mit mindestens einem Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Der erste Teil und der zweite Teil sind durch unterschiedliche Leitfähigkeitstypen (n-Leitfähigkeit oder p-Leitfähigkeit) gekennzeichnet. Zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil ist ein Tunnelkontakt angeordnet. Der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt sind angeordnet, um den optischen Resonator elektrisch so zu pumpen, dass der Tunnelkontakt während des Betriebs der VCSEL-Vorrichtung umgekehrt vorgespannt ist. Eine der folgenden Alternativen gilt:

a) der erste verteilte Bragg-Spiegel umfasst den ersten Teil (115-1) und den zweiten Teil (115-2), wobei die relative Dicke des zweiten Teils (115-2) in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils (115-1, 115-2) des ersten verteilten Bragg-Spiegels zwischen 0,1-0,8 liegt;
b) der zweite verteilte Bragg-Spiegel umfasst den ersten Teil (125-1) und den zweiten Teil (125-2), wobei der zweite Teil auf einer der aktiven Schicht (120) abgewandten Seite des Tunnelkontakts (130) angeordnet ist, wobei die relative Dicke des zweiten Teils (125-2) in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils (125-1, 125-2) des zweiten verteilten Bragg-Spiegels zwischen 0,15-0,6 liegt.

Die VCSEL-Vorrichtung kann eine Strom-Confinement-Schicht umfassen, um einen elektrischen Strom während des Betriebs des VCSEL auf einen definierten Bereich der aktiven Schicht zu konzentrieren. Die VCSEL-Vorrichtung kann ferner zusätzliche Schichten wie Pufferschichten, Stromverteilungsschichten usw. umfassen. Der erste Teil und der zweite Teil tragen zum Reflexionsvermögen des jeweiligen DBR bei. Jede Schicht des Paares von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes des jeweiligen DBR ist durch eine Dicke von einem Viertel der Emissionswellenlänge der VCSEL-Vorrichtung innerhalb des Materials der jeweiligen Schicht gekennzeichnet. Jede der Schichten kann Teilschichten umfassen. Die aktive Schicht kann, zum Beispiel, eine Quantentopfstruktur umfassen, die eine Mehrzahl von Teilschichten umfasst. Die VCSEL-Vorrichtung kann so angeordnet sein, dass sie Laserlicht in dem Wellenlängenbereich zwischen 750 und 2000 nm emittiert.
Der Tunnelkontakt besteht in der Regel aus zwei hoch dotierten, dünnen GaAs-Schichten, einer vom ersten Leitfähigkeitstyp (z. B. n-dotiert) und einer vom anderen zweiten Leitfähigkeitstyp (z. B. p-dotiert). Die Dicke jeder Schicht des Tunnelkontakts liegt in der Regel im Bereich von 10-60 nm, und Dotierungspegel sollten so hoch wie möglich sein. Typische Werte für die Dotierungspegel liegen oberhalb von 10¹⁹ cm^-3. Der Tunnelkontakt kann vorzugsweise unabhängig vom Reflexionsvermögen des jeweiligen DBR für geringste Widerstände und Verluste optimiert werden. Es kann daher notwendig sein, Pufferschichten vorzusehen, um die Phase der optischen Welle innerhalb des jeweiligen DBR anzupassen. Die gesamte optische Dicke des Tunnelkontakts und der entsprechenden Pufferschicht oder -schichten kann zum Beispiel die Hälfte der Wellenlänge oder ganzzahlige Vielfache davon betragen. Alternativ kann der Tunnelkontakt mit Pufferschicht(en) eine optische Dicke einer Viertelwellenlänge oder 2n+1 oder Vielfache davon mit n=1, 2, 3... aufweisen und kann eine Schicht oder ein Paar Schichten des jeweiligen DBR betragen.
Aufgrund der Verfügbarkeit der Substrate von hoher Qualität bei angemessenen Kosten werden VCSEL oder VCSEL-Vorrichtungen allgemein auf Substraten vom n-Typ produziert, so dass die strukturierte Oberseite des VCSEL die Anode ist, während der in der Regel nicht strukturierte und gemeinsame Substrat-Kontakt die Kathode ist. Die strukturierte Anode erfordert eine Modulation der Anodenspannung, was die Konstruktion des elektrischen Treibers der VCSEL-Vorrichtung belastet. Der Tunnelkontakt ermöglicht die Übertragung der Kathode auf die strukturierten Kontakte der VCSEL-Vorrichtung. Eine Modulation der Kathodenspannung ist wünschenswert in Anwendungen, bei denen verkürzte Hochstromimpulse an eine VCSEL-Vorrichtung oder eine Anordnung von VCSEL angelegt werden (z. B. Laufzeit-LIDAR). Komplexe Simulationen haben gezeigt, dass die Integration des Tunnelkontakts in einem der DBR die optische Absorption bis zu einem Faktor von 5 reduzieren kann. Ferner könnte die Stromdichte an der Position des Tunnelkontakts durch Wählen der richtigen Position innerhalb des DBR signifikant reduziert werden, so dass elektrische Verluste, die durch den Tunnelkontakt verursacht werden, vermieden werden können oder zumindest auf einem akzeptablen Niveau liegen.
Der erste Teil des jeweiligen DBR kann auf einer der aktiven Schicht zugewandten Seite des Tunnelkontakts angeordnet sein (z. B. zwischen dem aktiven Laser und dem Tunnelkontakt zusammengepresst). Der zweite Teil ist auf einer Seite des Tunnelkontakts angeordnet, die von der aktiven Schicht abgewandt ist, so dass zwischen der aktiven Schicht und dem Tunnelkontakt ein erster Teil angeordnet ist, und wobei der Tunnelkontakt zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil angeordnet ist. Eine relative Dicke des zweiten Teils in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils des jeweiligen ersten oder zweiten DBR liegt zwischen 0,1 und 0,8.
Die Schichten des Tunnelkontakts können während des Betriebs der Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung in einem Knoten eines Musters stehender Wellen innerhalb des optischen Resonators angeordnet sein. Die Position in dem Knoten oder in der Nähe eines Knotens des Musters stehender Wellen reduziert die optische Absorption, die durch den hohen Dotierungsgrad der Schichten des Tunnelkontakts verursacht werden kann. Die Dicke des Tunnelkontakts (Gesamtdicke der hoch dotierten p-Schicht und hoch dotierten n-Schicht) kann daher so dünn wie möglich sein. Die Dicke des Tunnelkontakts kann daher weniger als ein Viertel der Emissionswellenlänge in dem jeweiligen Material (z. B. GaAs), besonders bevorzugt weniger als 50 nm und am meisten bevorzugt weniger als 40 nm betragen. Der Tunnelkontakt ist vorzugsweise dicker als 20 nm, um übermäßige elektrische Verluste zu vermeiden, die den optischen Vorteil überwiegen können. Der zweite Teil des jeweiligen DBR kann zwischen 1-25 Paare Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, besonders bevorzugt zwischen 3-20 Paare Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und am meisten bevorzugt zwischen 5-15 Paare Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfassen.
Die VCSEL-Vorrichtung kann eine Strom-Confinement-Schicht umfassen, wie oben angegeben. Der erste Teil ist zwischen der Strom-Confinement-Schicht und dem Tunnelkontakt angeordnet. Die Strom-Confinement-Schicht sorgt für eine weitere Trennung des jeweiligen DBR. Das Paar von Schichten des jeweiligen DBR, die zwischen der Strom-Confinement-Schicht und der aktiven Schicht angeordnet sind, sind ein dritter Teil, der nicht vom ersten Teil umfasst wird, da der Abstand zwischen der Strom-Confinement-Schicht und dem Tunnelkontakt die Stromdichte im Tunnelkontakt und damit die zugehörigen elektrischen Verluste bestimmt. Der Tunnelkontakt und die Strom-Confinement-Schicht können durch zwischen 2 und 25 Paare Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes getrennt sein. Die Anzahl von Paaren von Schichten kann von Zwischenabstandshalterschichten (z. B. GaAs-Bulkschicht) abhängen. Zwischen dem Tunnelkontakt und der Strom-Confinement-Schicht kann es mindestens 5, besonders bevorzugt mindestens 9 und noch mehr bevorzugt mehr als 15 Paare Schichten geben. Die Paare von Schichten sind Schichten des jeweiligen DBR. Die Strom-Confinement-Schicht kann beispielsweise eine Oxidapertur, ein Fototransistor oder jede andere Schichtstruktur sein, die angeordnet ist, um den mittels der ersten und der zweiten Elektrode bereitgestellten elektrischen Strom auf einen vorgegebenen Bereich oder eine vorgegebene Region der aktiven Schicht zu begrenzen. Der Abstand zwischen dem Tunnelkontakt und der Strom-Confinement-Schicht vermeidet oder reduziert zumindest hohe Stromdichten und entsprechende elektrische Verluste an dem Tunnelkontakt während des Betriebs der VCSEL-Vorrichtung.
Die VCSEL-Vorrichtung umfasst ein Substrat. Der erste DBR ist zwischen dem Substrat und der aktiven Schicht angeordnet. Das Substrat kann ein Wachstumssubstrat (z. B. Galliumarsenidsubstrat) sein, auf dem die Funktionsschichten der VCSEL-Vorrichtung während der Bearbeitung der VCSEL-Vorrichtung abgeschieden werden.
Der zweite DBR kann den ersten Teil und den zweiten Teil umfassen. Die relative Dicke des zweiten Teils in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils des zweiten DBR beträgt zwischen 0,15-0,6, vorzugsweise zwischen 0,2-0,5. Der zweite Teil des zweiten DBR kann zwischen 2-10 Paaren von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, besonders bevorzugt zwischen 2-8 Paaren von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, umfassen.
Das Substrat kann durch einen ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet sein. Der erste DBR ist in dieser Ausführungsform durch den gleichen ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet. Der erste Teil des zweiten DBR ist durch einen zweiten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet. Der zweite Teil des zweiten DBR ist durch den ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet.
Der erste verteilte Bragg-Spiegel kann in einer alternativen Ausführungsform den ersten Teil und den zweiten Teil umfassen. Die relative Dicke des zweiten Teils in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils des ersten verteilten Bragg-Spiegels liegt in dieser Ausführungsform zwischen 0,1-0,8, vorzugsweise zwischen 0,2-0,6. Der zweite Teil des zweiten DBR kann zwischen 3-30 Paaren von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, besonders bevorzugt zwischen 7-22 Paaren von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, umfassen.
Das Substrat kann in dieser Ausführungsform durch einen ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet sein. Der erste Teil des ersten DBR ist durch einen zweiten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet, wobei der zweite Teil des ersten DBR neben dem Substrat durch den ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet ist. Der zweite DBR ist durch den ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet.
Der erste Leitfähigkeitstyp kann n-leitend sein. Der zweite elektrische Kontakt ist in dieser Ausführungsform auf der von der aktiven Schicht abgewandten Seite des zweiten DBR angeordnet. Der zweite elektrische Kontakt ist so angeordnet, dass er ein Kathodenkontakt der VCSEL-Vorrichtung ist. Das Substrat ist in dieser Ausführungsform ein Substrat vom n-Typ (z. B. n-dotiertes Galliumarsenid-Substrat). Der Tunnelkontakt ermöglicht in diesem Fall die Verwendung des strukturierten zweiten elektrischen Kontakts als Kathodenkontakt wie oben erläutert. Letzteres kann insbesondere im Fall von VCSEL-Vorrichtungen nützlich sein, die eine Vielzahl von VCSEL (VCSEL-Array) umfassen.
Ein Reflexionsvermögen des zweiten DBR kann in einer Ausführungsform niedriger als ein Reflexionsvermögen des ersten DBR sein, so dass Laserlicht während des Betriebs der VCSEL-Vorrichtung durch den zweiten DBR emittiert wird. Der zweite elektrische Kontakt weist dabei eine Öffnung (z. B. Ringkontakt) auf, so dass das Laserlicht durch die Öffnung des zweiten elektrischen Kontakts emittiert wird. Die VCSEL-Vorrichtung ist in diesem Fall ein sogenannter Top-Emitter.
Ein Reflexionsvermögen des zweiten DBR kann in einer alternativen Ausführungsform höher als ein Reflexionsvermögen des ersten DBR sein, so dass Laserlicht während des Betriebs der VCSEL-Vorrichtung durch den ersten DBR emittiert wird. Die VCSEL-Vorrichtung ist in diesem Fall ein sogenannter Bottom-Emitter. Der (in der Regel gemeinsame erste elektrische Kontakt im Falle eines VCSEL-Arrays) ist derart ausgebildet, dass das Laserlicht durch Öffnungen im ersten elektrischen Kontakt emittiert werden kann. Das Substrat kann vollständig entfernt oder mindestens lokal entfernt werden, um optische Verluste zu reduzieren, die durch das Substrat verursacht werden. Die VCSEL-Vorrichtung kann alternativ so angeordnet sein, dass das Laserlicht durch das Substrat emittiert wird. Die Emissionswellenlänge der VCSEL-Vorrichtung kann in diesem Fall über 850 nm betragen, um optische Verluste im Falle eines Galliumarsenid-Substrats zu verringern.
Die VCSEL-Vorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen kann in einem optischen Sensor enthalten sein. Der optische Sensor kann in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung beinhaltet sein. Der optische Sensor kann zur Abstandserkennung, Geschwindigkeitserkennung und/oder Gestensteuerung verwendet werden.
Ein Laufzeitsensormodul kann mindestens eine VCSEL-Vorrichtung gemäß einer der oben erläuterten Ausführungsformen umfassen. Das Laufzeitsensormodul umfasst ferner einen elektrischen Treiber, der angeordnet ist, um den Strom zwischen dem ersten elektrischen Kontakt und dem zweiten elektrischen Kontakt bereitzustellen. Das Laufzeitsensormodul kann in einer mobilen Kommunikationsvorrichtung enthalten sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer VCSEL-Vorrichtung mit integriertem Tunnelkontakt bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Bereitstellen eines Substrats,
Bereitstellen eines ersten elektrischen Kontakts,
Bereitstellen eines ersten DBR,
Bereitstellen einer aktiven Schicht, so dass der erste DBR zwischen der aktiven Schicht und dem Substrat angeordnet ist,
Bereitstellen eines zweiten DBR, so dass die aktive Schicht zwischen dem ersten DBR und dem zweiten DBR angeordnet ist,
Bereitstellen eines Tunnelkontakts, so dass der erste DBR getrennt wird in einen ersten Teil, umfassend mindestens ein Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, und einen zweiten Teil, umfassend mindestens ein Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei der erste Teil und der zweite Teil gekennzeichnet sind durch unterschiedliche Leitfähigkeitstypen, wobei die relative Dicke des zweiten Teils in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils des ersten verteilten Bragg-Spiegels zwischen 0,1-0,8 beträgt,
Bereitstellen eines zweiten elektrischen Kontakts, wobei der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt angeordnet sind, um einen elektrischen Antriebsstrom bereitzustellen, um die VCSEL-Vorrichtung elektrisch zu pumpen.

Gemäß einem weiteren Aspekt, Verfahren zum Herstellen einer Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Bereitstellen eines Substrats,
Bereitstellen eines ersten elektrischen Kontakts,
Bereitstellen eines ersten verteilten Bragg-Spiegels,
Bereitstellen einer aktiven Schicht, so dass der erste verteilte Bragg-Spiegel zwischen der aktiven Schicht und dem Substrat angeordnet ist,
Bereitstellen eines zweiten verteilten Bragg-Spiegels, so dass die aktive Schicht zwischen dem ersten verteilten Bragg-Spiegel und dem zweiten verteilten Bragg-Spiegel angeordnet ist,
Bereitstellen eines Tunnelkontakts, so dass der zweite verteilte Bragg-Spiegel getrennt wird in einen ersten Teil, umfassend mindestens ein Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, und einen zweiten Teil, umfassend mindestens ein Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei der erste Teil und der zweite Teil gekennzeichnet sind durch unterschiedliche Leitfähigkeitstypen, wobei der zweite Teil an einer Seite des Tunnelkontakts angeordnet ist, die von der aktiven Schicht abgewandt ist, wobei die relative Dicke des zweiten Teils in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils des zweiten verteilten Bragg-Spiegels zwischen 0,15-0,6 beträgt,
Bereitstellen eines zweiten elektrischen Kontakts, wobei der erste elektrische Kontakt und der zweite elektrische Kontakt so angeordnet sind, dass sie einen elektrischen Antriebsstrom bereitstellen, um die Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung elektrisch zu pumpen.

Die Schritte in beiden Verfahren müssen nicht notwendigerweise in der oben angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Die verschiedenen Schichten können durch epitaktische Verfahren wie MOCVD, MBE und dergleichen abgeschieden werden. Das Substrat kann in einem nachfolgenden Verarbeitungsschritt entfernt werden. Die erste Elektrode kann in diesem Fall zwischen dem Substrat und dem ersten DBR angeordnet sein. Die erste Elektrode kann alternativ nach dem Entfernen des Substrats bereitgestellt werden.
Es versteht sich, dass die VCSEL-Vorrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und das Verfahren zur Herstellung der VCSEL-Vorrichtung ähnliche und/oder identische Ausführungsformen aufweisen, insbesondere, wie in den abhängigen Ansprüchen und in der vor- und nachstehend bereitgestellten Beschreibung 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 wird Folgendes gezeigt:

1 zeigt eine Prinzipskizze einer ersten VCSEL-Vorrichtung mit integriertem Tunnelkontakt.
2 zeigt eine Prinzipskizze einer zweiten VCSEL-Vorrichtung mit integriertem Tunnelkontakt.
3 zeigt eine Prinzipskizze einer dritten VCSEL-Vorrichtung mit integriertem Tunnelkontakt.
4 zeigt eine Prinzipskizze einer vierten VCSEL-Vorrichtung mit integriertem Tunnelkontakt.
5 zeigt eine Optimierung einer Position des Tunnelkontakts innerhalb eines zweiten DBR.
6 zeigt eine Optimierung einer Position des Tunnelkontakts innerhalb eines ersten DBR.
7 zeigt eine Prinzipskizze eines Laufzeitsensormoduls.
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 integriertem Tunnelkontakt 130. Die VCSEL-Vorrichtung 100 ist ein oben emittierender VCSEL. Ein erster elektrischer Kontakt 105 ist auf einer ersten Seite eines Galliumarsenidsubstrats 110 (z. B. Substrat 110 vom n-Typ) angeordnet. Ein erster DBR 115 wird auf einer zweiten Seite des Substrats 110 platziert, die entgegengesetzt zu der ersten Seite des Substrats 110 ist. Zwischenschichten (nicht gezeigt), wie Pufferschichten, können zwischen dem Substrat 115 und dem ersten DBR 115 angeordnet sein. Der erste DBR weist 30 Paare von Viertelwellenlängen-GaAs-Schichten und AlGaAs-Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes auf. Eine aktive Schicht 120 ist oben auf dem ersten DBR 115 angeordnet. Die aktive Schicht 120 ist in dieser Ausführungsform eine Quantentopfstruktur, die mehrere Teilschichten umfasst. Ein erster Teil des zweiten DBR 125-1 ist auf einer Seite der aktiven Schicht 120 angeordnet, die der Seite der aktiven Schicht 120 neben dem ersten DBR 115 gegenüberliegt. Die aktive Schicht 120 ist in dieser Ausführungsform zwischen dem ersten DBR 115 und dem ersten Teil des zweiten DBR 125-1 zusammengepresst. Eine Dicke des ersten Teils des zweiten DBR 125-1 ist durch b gegeben. Eine Strom-Confinement-Schicht 124 ist am Ende des ersten Teils des ersten DBR derart integriert, dass der Abstand zwischen der Strom-Confinement-Schicht 124 und dem Tunnelkontakt 130 im Wesentlichen durch b gegeben ist. Es kann eine Anpassungsschicht (nicht gezeigt) geben, die zwischen der aktiven Schicht 120 und der Strom-Confinement-Schicht 124 angeordnet ist. Die Strom-Confinement-Schicht 124 ist eine Oxidapertur, die aus einer teilweise oxidierten AlAs-Schicht oder AlGaAs-Schicht mit niedrigem Ga-Gehalt besteht. Ein Tunnelkontakt 130 ist oben auf dem ersten Teil des zweiten DBR 125-1 angeordnet. Der Tunnelkontakt 130 umfasst eine hoch n-dotierte 20 nm-Schicht (nicht gezeigt) und eine hoch p-dotierte GaAs-Schicht von 20 nm (nicht gezeigt). Die Reihenfolge des Leitfähigkeitstyps des Tunnelkontakts ist an die Leitfähigkeitstypen des Substrats und des DBR oder von Teilen des jeweiligen DBR angepasst. Eine dazwischenliegende GaAs-Anpassungsschicht (nicht gezeigt) ist neben dem Tunnelkontakt 130 angeordnet. Die Anpassungsschicht weist eine Dicke von 109 nm auf, so dass die Gesamtdicke des Tunnelkontakts 130 und der Anpassungsschicht 144 nm (Dicke von λ/2 bei einer Emissionswellenlänge von 980 nm) beträgt. Der Tunnelkontakt 130 und die entsprechende Anpassungschicht sind zwischen dem ersten Teil des zweiten DBR 125-1 und einem zweiten Teil des zweiten DBR 125-2 angeordnet. Der zweite Teil des zweiten DBR 125-2 umfasst 4 Paare von GaAs/AlGaAs-Schichten von insgesamt 19 Paaren von Schichten, die im zweiten DBR enthalten sind. Eine Dicke des zweiten Teils des zweiten DBR 125-2 ist durch a gegeben. Eine relative Dicke des zweiten Teils des zweiten DBR 125-2 in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten und des zweiten Teils des zweiten DBR 125-1, 125-2 ist durch das Verhältnis a/(a+b) gegeben. Ein ringförmiger zweiter elektrischer Kontakt 150 wird oben auf dem zweiten Teil des zweiten DBR 125-2 platziert. Eine Stromverteilungsschicht (nicht gezeigt) kann zwischen dem zweiten Teil des zweiten DBR 125-2 und dem zweiten elektrischen Kontakt 150 angeordnet sein. Laserlicht (angezeigt durch den Pfeil) mit einer Emissionswellenlänge von 980 nm wird während des Betriebs der VCSEL-Vorrichtung 100 durch die Öffnung in dem zweiten elektrischen Kontakt 150 emittiert.
2 zeigt eine Prinzipskizze einer zweiten VCSEL-Vorrichtung 100 mit integriertem Tunnelkontakt 130. Die zweite VCSEL-Vorrichtung 100 ist ein unten emittierender VCSEL. Der erste DBR 115, die aktive Schicht 120, die Strom-Confinement-Schicht 124, der erste Teil des zweiten DBR 125-1, der Tunnelkontakt 130, der zweite Teil des zweiten DBR 125-2 und der zweite elektrische Kontakt 150 sind auf einem Substrat 110 in der gleichen Reihenfolge wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben angeordnet. Eine Dicke des Tunnelkontakts 130, der aus zwei hoch dotierten GaAs-Schichten besteht, beträgt 35 nm. Der zweite DBR umfasst einen ersten Teil 125-1 mit 18 Paaren von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, und der zweite Teil 125-2 umfasst 16 Paare von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Eine dazwischenliegende GaAs-Anpassungsschicht 129 (kann mehrere Teilschichten umfassen) ist neben dem Tunnelkontakt 130 angeordnet, um die Phase des ersten und zweiten Teils des zweiten DBR 125-1, 125-2 bei der Emissionswellenlänge von 808 nm anzupassen. Längere Emissionswellenlängen (>900 nm) können im Hinblick auf die Absorptionsverluste bei Emissionswellenlängen, die niedriger als 900 nm sind, im Tunnelkontakt (umfasst dotierte GaAs-Schichten) bevorzugt sein. Die Strom-Confinement-Schicht 124 ist eine Oxidapertur, die zwischen der aktiven Schicht 120 und dem Tunnelkontakt 130 angeordnet ist. Die Oxidapertur trennt ferner den zweiten DBR. Ein dritter Teil 125-3 des zweiten DBR ist zwischen der aktiven Schicht 120 und der Oxidschicht angeordnet. Der dritte Teil 125-3 ist nicht relevant in Bezug auf die Stromdichte im Tunnelkontakt und damit auf die zugehörigen elektrischen Verluste. Eine Dicke b des ersten Teils 125-1 des ersten DBR ist durch den Abstand zwischen der Oxidapertur und dem Tunnelkontakt 130 gegeben. Der Teil des ersten DBR, der zwischen der Oxidapertur und der aktiven Schicht 120 angeordnet ist, ist nicht im ersten Teil 125-1 des ersten DBR enthalten. Der zweite elektrische Kontakt 150 deckt den zweiten Teil des zweiten DBR 125-2 vollständig ab. Der erste elektrische Kontakt 105 ist auf einer Seite des Substrats 110 angeordnet, die der Seite des Substrats 110, auf der die funktionalen Halbleiterschichten der VCSEL-Vorrichtung 100 platziert sind, gegenüberliegt. Ein Teil des ersten elektrischen Kontakts 105 und des Substrats 110 werden so entfernt, dass Laserlicht mit der Emissionswellenlänge von 800 nm über die 20 Paare von Schichten mit verschiedenen Brechungsindizes des ersten DBR 115 emittiert wird.
3 zeigt eine Prinzipskizze einer dritten VCSEL-Vorrichtung 100 mit integriertem Tunnelkontakt 130. Die dritte VCSEL-Vorrichtung 100 ist ein oben emittierender VCSEL, ähnlich wie in Bezug auf 1 beschrieben. Der Tunnelkontakt 130 ist in diesem Fall in den ersten DBR integriert, der einen ersten Teil 115-1 und einen zweiten Teil 115-2 umfasst. Eine Strom-Confinement-Schicht 124 ist in den ersten Teil des ersten DBR 115-1 in der Nähe der aktiven Schicht 120 integriert, um eine höhere Stromdichte in der aktiven Schicht 120 bereitzustellen. Die Strom-Confinement-Schicht 124 ist wiederum eine Oxidapertur, die in dem p-dotierten Teil des ersten DBR angeordnet ist, um im Hinblick auf eine hohe Elektronenbeweglichkeit eine ausreichende Strombegrenzung zu ermöglichen. Die Oxidapertur trennt ferner den ersten DBR. Ein dritter Teil 115-3 des ersten DBR ist zwischen der aktiven Schicht 120 und der Oxidschicht angeordnet. Der dritte Teil 115-3 ist nicht relevant in Bezug auf die Stromdichte im Tunnelkontakt und damit auf die zugehörigen elektrischen Verluste. Der Tunnelkontakt 130 umfasst in diesem Fall zwei hoch dotierte Schichten (eine n-dotierte und eine p-dotierte) mit einer Gesamtdicke von 40 nm. Eine dazwischenliegende GaAs-Anpassungsschicht oder dazwischenliegende GaAs-Anpassungsschichten (nicht gezeigt) ist bzw. sind neben dem Tunnelkontakt 130 angeordnet, um die Phase des ersten und zweiten Teils des ersten DBR 115-1, 115-2 anzupassen. Der pn-Kontakt des Tunnelkontakts 130 ist in einem Knoten eines Musters stehender Wellen der dritten VCSEL-Vorrichtung 100 angeordnet, um optische Verluste zu reduzieren, die durch die hoch dotierten Schichten verursacht werden können. Zwei zusätzliche Anpassungsschichten (nicht gezeigt), ähnlich wie in Bezug auf 1 erörtert, sind oberhalb und unterhalb des Tunnelkontakts 130 vorgesehen, so dass die Gesamtdicke des Tunnelkontakts 130 zusammen mit den Anpassungsschichten eine Emissionswellenlänge der dritten VCSEL-Vorrichtung 100 beträgt. Eine relative Dicke des zweiten Teils des ersten DBR 115-2 ist durch das Verhältnis d/(c+d) gegeben, wobei d die Dicke des zweiten Teils des ersten DBR 115-2 und c die Dicke des ersten Teils des ersten DBR 115-1 ist. Der zweite DBR 125 umfasst 19 Paare von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Der erste DBR umfasst 35 Paare von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei der zweite Teil des ersten DBR 115-2 18 Paare von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfasst.
4 zeigt eine Prinzipskizze einer vierten VC SEL-Vorrichtung 100 mit integriertem Tunnelkontakt 130. Die allgemeine Konfiguration ist ähnlich wie in Bezug auf 3 erörtert. Die vierte VCSEL-Vorrichtung 100 ist ein Bottom-Emitter, der so angeordnet ist, dass er Laserlicht mit einer Emissionswellenlänge von 940 nm durch das GaAs-Substrat 110 emittiert. Der erste elektrische Kontakt 105 umfasst eine Öffnung in dem Emissionsbereich der vierten VCSEL-Vorrichtung 100. Der Tunnelkontakt 130 ist wiederum in den ersten DBR eingebettet. Zwischen dem ersten Teil des ersten DBR 115-1 und der aktiven Schicht 120 ist eine Strom-Confinement-Schicht 124 eingebettet, so dass zwischen dem Tunnelkontakt 130 und der Strom-Confmement-Schicht 124 15 Paare von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes angeordnet sind. Die Strom-Confinement-Schicht 124 ist ein Fototransistor wie zum Beispiel in WO 2016/045935 A1 beschrieben, welche hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Der erste DBR umfasst 19 Paare von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und der zweite DBR 125 umfasst 42 Paare von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes.
Die VCSEL-Vorrichtungen 100, die unter Bezugnahme auf 1-4 erörtert werden, umfassen einen VCSEL. Alternative Ausführungsformen von VCSEL-Vorrichtungen 100 können zwei, drei, vier oder mehr VCSEL umfassen, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Die VCSEL können in einem linearen oder einem zweidimensionalen Array angeordnet sein.
5 zeigt eine Optimierung einer Position des Tunnelkontakts 130 innerhalb eines zweiten DBR. Der zweite DBR wäre der p-dotierte DBR im Fall eines Standard-VCSEL (auf einem Substrat 110 vom n-Typ produziert) ohne Tunnelkontakt. Die Konfiguration, die für die Simulation verwendet wird, ist im Wesentlichen die gleiche wie unter Bezugnahme auf 1 erörtert. Anfangsbedingung der Simulationen ist, dass das Substrat ein Substrat vom n-Typ ist, das bei vernünftigen Kosten und hoher Qualität im Handel erhältlich ist. Die x-Achse 162 beschreibt die relative Position des Tunnelkontakts in dem jeweiligen DBR (zweiter DBR). Die x-Achse entspricht dem oben erörterten Parameter a/(a+b). Ein kleiner Wert bedeutet eine Position nahe an der obersten Schicht des zweiten DBR (Deckschicht) und ein großer Wert bedeutet eine Position nahe der aktiven Schicht 120 der VCSEL-Vorrichtung 100 oder genauer gesagt in der Nähe der Strom-Confinement-Schicht 124. Die linke Achse 161 zeigt die normalisierten optischen Verluste, um eine VCSEL-Vorrichtung 100 mit Tunnelkontakt 130 mit dem optischen Gesamtverlust eines Standard-VCSEL ohne Tunnelkontakt 130 zu vergleichen. Zeile 171 zeigt die optischen Verluste als Funktion der relativen Position im zweiten DBR. Der optische Gesamtverlust des VCSEL fällt für Positionen des Tunnelkontakts nahe der obersten Schicht des zweiten DBR ab. Aus diesem Gesichtspunkt wäre es höchst wünschenswert, den Tunnelkontakt 130 so nahe wie möglich an der obersten Schicht des zweiten DBR platzieren. Andererseits zeigt die rechte Achse 163 die maximale Stromdichte im Tunnelkontakt 130. Zeile 173 zeigt die maximale Stromdichte im Tunnelkontakt 130 für verschiedene Positionen des Tunnelkontakts 130 in dem zweiten DBR der VCSEL-Vorrichtung 100. Eine hohe Stromdichte im Tunnelkontakt verursacht einen hohen Spannungsabfall und damit verbundene hohe elektrische Verluste. Es ist daher äußerst wünschenswert, die Stromdichte im Tunnelkontakt so gering wie möglich zu halten. Berücksichtigt man sowohl optische als auch elektrische Aspekte, so liegt die bevorzugte Position des Tunnelkontakts 130 innerhalb des zweiten DBR der VCSEL-Vorrichtung 100 daher bei relativen Positionen a/(a+b) (siehe 1) zwischen 0,15 und 0,6, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5.
6 zeigt eine Optimierung einer Position des Tunnelkontakts innerhalb eines ersten DBR Der erste DBR wäre der n-dotierte DBR im Fall eines Standard-VCSEL (auf einem Substrat 110 vom n-Typ produziert) ohne Tunnelkontakt. Die Konfiguration, die für die Simulation verwendet wird, ist im Wesentlichen die gleiche wie unter Bezugnahme auf 3 erörtert. Anfangsbedingung der Simulationen ist wiederum, dass das Substrat ein Substrat vom n-Typ ist, wie unter Bezugnahme auf 5 erörtert. Die x-Achse 162 beschreibt wiederum die relative Lage des Tunnelkontakts im jeweiligen DBR (erster DBR). Die x-Achse entspricht dem oben erörterten Parameter d/(c+d). Ein kleiner Wert bedeutet eine Position nahe dem Substrat und ein großer Wert bedeutet eine Position nahe der aktiven Schicht 120 der VCSEL-Vorrichtung 100 oder genauer nahe der Strom-Confinement-Schicht 124, die hauptsächlich die Stromdichte bestimmt. Die linke Achse 161 zeigt wiederum die normalisierten optischen Verluste, um eine VCSEL-Vorrichtung 100 mit Tunnelkontakt 130 mit dem optischen Gesamtverlust eines Standard-VCSEL ohne Tunnelkontakt 130 zu vergleichen. Zeile 171 zeigt die optischen Verluste als Funktion der relativen Position im ersten DBR. Der optische Gesamtverlust des VCSEL fällt für Positionen des Tunnelkontakts 130 innerhalb des ersten DBR nahe dem Substrat 110 ab. Ähnlich wäre es, wie unter Bezugnahme auf 5 erläutert, höchst wünschenswert, den Tunnelkontakt 130 so nah wie möglich an dem Substrat 110 anzuordnen, um optische Verluste im Vergleich zu einem VCSEL ohne Tunnelkontakt 130 zu reduzieren. Die beste Position kann in dieser Hinsicht zwischen dem Substrat 110 und dem ersten DBR liegen, um eine Störung der Reflexionseigenschaften des ersten DBR zu vermeiden, die durch die Integration des Tunnelkontakts 130 verursacht werden kann. Die rechte Achse 165 zeigt den elektrischen Widerstand des VCSEL mit integriertem Tunnelkontakt 130 bezüglich eines VCSEL ohne Tunnelkontakt 130. Zeile 175 zeigt die Abhängigkeit des Verhältnisses der elektrischen Widerstände als Funktion der relativen Position innerhalb des ersten DBR. Die Simulationen zeigen, dass die höchst wünschenswerte Position neben dem Substrat 110 bezüglich der optischen Verluste unter einem erhöhten elektrischen Widerstand im Vergleich zum Standard-VCSEL ohne Tunnelkontakt 130 leidet. Aus elektrischer Sicht wird eine Platzierung des Tunnelkontakts 130 in der Nähe der aktiven Schicht 120 bevorzugt. Wie in dem Fall einer Anordnung des Tunnelkontakts im zweiten DBR, gibt es eine optimale Position an Zwischenpositionen. Berücksichtigt man sowohl optische als auch elektrische Aspekte, so liegt die bevorzugte Position des Tunnelkontakts 130 innerhalb des ersten DBR der VCSEL-Vorrichtung 100 daher bei relativen Positionen d/(c+d) (siehe 3) zwischen 0,1 und 0,8, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6.
7 zeigt eine Prinzipskizze eines Laufzeitsensormoduls 200. Das Laufzeitsensormodul 200 umfasst eine VCSEL-Vorrichtung 100, die ein zweidimensionales VCSEL-Array umfasst. Das Laufzeitsensormodul 200 umfasst ferner einen Detektor 221, der so angeordnet ist, dass er sehr kurze Lichtimpulse erkennt. Solche kurzen Laserimpulse können durch von der VCSEL-Vorrichtung 100 emittiertes Laserlicht 201 verursacht werden, das auf ein Objekt 300 trifft. Ein Teil des emittierten Laserlichts 201 wird von dem Objekt 300 reflektiert, so dass reflektiertes Laserlicht 202 vom Detektor 221 empfangen wird. Das reflektierte Laserlicht 202 verursacht ein entsprechendes elektrisches Signal im Detektor 221. Ein elektrischer Treiber 230 ist so angeordnet, dass er die VCSEL-Vorrichtung 100 elektrisch ansteuert. Eine Steuerung 250 ist mit dem elektrischen Treiber 230 verbunden, um beispielsweise die Start- und Stoppzeit der Laserimpulse zu steuern, die von der VCSEL-Vorrichtung 100 emittiert werden. Die Steuerung 250 ist ferner mit dem Detektor 221 verbunden, um die elektrischen Signale zu empfangen, die durch das reflektierte Laserlicht 202 verursacht werden, das vom Detektor 221 erkannt wird. Das Laufzeitsensormodul 200 umfasst ferner eine optionale Schnittstelle 235 zum Übertragen der Start- und Stoppzeit des emittierten Laserlichts 201 sowie der Empfangszeit der elektrischen Signale, die durch das reflektierte Laserlicht 202 verursacht werden. Die übertragenen Daten können verwendet werden, um die Flugzeit des Laserlichts und somit Entfernungen zwischen dem Laufzeitsensormodul 200 und dem Objekt 300 zu berechnen. Das Laufzeitsensormodul 200 kann alternativ eine Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) umfassen, die elektrisch mit der Steuerung 250 verbunden ist (oder die Auswerteeinrichtung kann die Steuerung 250 umfassen), um Abstände zum Objekt zu bestimmen. Mehrere Entfernungsmessungen können verwendet werden, um eine Geschwindigkeit oder sogar eine Beschleunigung des Objekts 300 zu bestimmen.
8 zeigt eine Prinzipskizze eines Prozessablaufs eines Verfahrens zum Herstellen eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein GaAs-Substrat 110 wird in Schritt 410 bereitgestellt. Ein erster elektrischer Kontakt 105 wird in Schritt 420 bereitgestellt. In Schritt 430 wird ein erster verteilter Bragg-Spiegel 115 bereitgestellt. Eine aktive Schicht 120 wird in Schritt 440 bereitgestellt, so dass der erste verteilte Bragg-Spiegel 115 zwischen der aktiven Schicht 120 und dem Substrat 110 angeordnet ist. Ein zweiter verteilter Bragg-Spiegel 125 wird in Schritt 450 bereitgestellt, so dass die aktive Schicht 120 zwischen dem ersten verteilten Bragg-Spiegel 115 und dem zweiten verteilten Bragg-Spiegel 125 angeordnet ist. Ein Tunnelkontakt 130 wird in Schritt 460 bereitgestellt. Der Tunnelkontakt 130 ist entweder in den ersten verteilten Bragg-Spiegel 115 oder den zweiten verteilten Bragg-Spiegel 125 integriert. Der Tunnelkontakt 130 trennt den ersten verteilten Bragg-Spiegel 115 oder den zweiten verteilten Bragg-Spiegel 125 in einen ersten Teil 115-1, 125-1 und einen zweiten Teil 115-2, 125-2. Der erste Teil 115-1, 125-1 umfasst mindestens ein Paar Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Der zweite Teil 115-2, 125-2 umfasst mindestens ein Paar Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Der erste Teil 115-1, 125-1 und der zweite Teil 115-2, 125-2 sind durch unterschiedliche Leitfähigkeitstypen gekennzeichnet. Ein zweiter elektrischer Kontakt 150 ist in Schritt 470 vorgesehen. Der erste elektrische Kontakt 105 und der zweite elektrische Kontakt 150 sind so angeordnet, dass sie einen elektrischen Antriebsstrom bereitstellen, um die VCSEL-Vorrichtung elektrisch derart zu pumpen, dass der Tunnelkontakt während des Betriebs der VCSEL-Vorrichtung umgekehrt vorgespannt ist.
Die Schichten des ersten DBR, der aktiven Schicht und einer beliebigen anderen Schicht als die Strominjektionsschichten und dergleichen können abgeschieden werden durch epitaktische Verfahren wie MOCVD oder MBE.
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
115: erster DBR
115-1: erster Teil des ersten DBR
115-2: zweiter Teil des ersten DBR
115-3: dritter Teil des ersten DBR
120: aktive Schicht
124: Strom-Confinement-Schicht
125: zweiter DBR
125-1: erster Teil des zweiten DBR
125-2: zweiter Teil des zweiten DBR
125-3: dritter Teil des zweiten DBR
129: Anpassungsschicht
130: Tunnelkontakt
150: zweite elektrische Elektrode
161: optischer Verlust bezüglich Standard-VCSEL
162: relative Position des Tunnelkontakts im DBR
163: maximale Stromdichte im Tunnelkontakt [kA/cm²]
165: elektrischer Widerstand bezüglich Standard-VCSEL
171: optische Verluste als Funktion der relativen Position im DBR
173: maximale Stromdichte als Funktion der relativen Position im DBR
175: elektrischer Widerstand als Funktion der relativen Position im DBR
200: Laufzeitsensormodul
201: emittiertes Laserlicht
202: reflektiertes Laserlicht
221: Detektor
230: elektrischer Treiber
235: Schnittstelle
240: optische Vorrichtung
250: Steuerung
300: Objekt
410: Schritt des Bereitstellens eines Substrats
420: Schritt des Bereitstellens eines ersten elektrischen Kontakts
430: Schritt des Bereitstellens eines ersten verteilten Bragg-Spiegels
440: Schritt des Bereitstellens einer aktiven Schicht
450: Schritt des Bereitstellens eines zweiten verteilten Bragg-Spiegels
460: Schritt des Bereitstellens eines Tunnelkontakts
470: Schritt des Bereitstellens eines zweiten elektrischen Kontakts

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0986846 B1 [0002]
JP 2005044964 A [0003]
US 2013/0188659 A1 [0004]
US 2001/0050934 A1 [0005]
WO 2016/045935 A1 [0038]

Claims

Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100), umfassend ein Substrat (110), einen ersten elektrischen Kontakt (105), einen zweiten elektrischen Kontakt (150) und einen optischen Resonator, wobei der Resonator einen ersten verteilten Bragg-Spiegel (115), einen zweiten verteilten Bragg-Spiegel (125) und eine aktive Schicht (120) zur Emission von Licht umfasst, wobei die aktive Schicht (120) zwischen dem ersten verteilten Bragg-Spiegel (115) und dem zweiten verteilten Bragg-Spiegel (125) angeordnet ist und der erste verteilte Bragg-Spiegel (115) zwischen dem Substrat (110) und der aktiven Schicht (120) angeordnet ist, wobei entweder der erste verteilte Bragg-Spiegel (115) oder der zweite verteilte Bragg-Spiegel (125) einen ersten Teil (115-1, 125-1) mit mindestens einem Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes und einen zweiten Teil (115-2, 125-2) mit mindestens einem Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfasst, wobei der erste Teil (115-1, 125-1) und der zweite Teil (115-2, 125-2) gekennzeichnet sind durch unterschiedliche Leitfähigkeitstypen, wobei ein Tunnelkontakt (130) angeordnet ist zwischen dem ersten Teil (115-1, 125-1) und dem zweiten Teil (115-2, 125-2), und wobei der erste elektrische Kontakt (105) und der zweite elektrische Kontakt (150) angeordnet sind zum elektrischen Pumpen des optischen Resonators, so dass der Tunnelkontakt (130) während des Betriebs der Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) umgekehrt vorgespannt ist, wobei eine der folgenden Alternativen gilt: a) der erste verteilte Bragg-Spiegel umfasst den ersten Teil (115-1) und den zweiten Teil (115-2), wobei die relative Dicke des zweiten Teils (115-2) in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils (115-1, 115-2) des ersten verteilten Bragg-Spiegels zwischen 0,1-0,8 liegt; b) der zweite verteilte Bragg-Spiegel umfasst den ersten Teil (125-1) und den zweiten Teil (125-2), wobei der zweite Teil auf einer der aktiven Schicht (120) abgewandten Seite des Tunnelkontakts (130) angeordnet ist, wobei die relative Dicke des zweiten Teils (125-2) in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils (125-1, 125-2) des zweiten verteilten Bragg-Spiegels zwischen 0,15-0,6 liegt.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der erste Teil (115-1, 125-1) angeordnet ist auf einer Seite des Tunnelkontakts (130), die der aktiven Schicht (120) zugewandt ist, wobei der zweite Teil (115-2, 125-2) angeordnet ist auf einer Seite des Tunnelkontakts (130), die von der aktiven Schicht (120) abgewandt ist, und wobei eine relative Dicke des zweiten Teils (115-2, 125-2) unter Bezugnahme auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils (115-1, 125-1, 115-2, 125-2) des jeweiligen ersten oder zweiten verteilten Bragg-Spiegels (115, 125) zwischen 0,1 und 0,8 beträgt.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Tunnelkontakt (130) in einem Knoten eines Musters stehender Wellen innerhalb des optischen Resonators während des Betriebs der Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) angeordnet ist.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) eine Strom-Confinement-Schicht (124) aufweist, wobei der erste Teil (115-1, 125-1) zwischen der Strom-Confinement-Schicht (124) und dem Tunnelkontakt (130) angeordnet ist.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, Alternative b), wobei die relative Dicke des zweiten Teils (125-2) bezüglich der Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils (125-1, 125-2) des zweiten verteilten Bragg-Spiegels 0,2-0,5 beträgt.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, Alternative b), wobei das Substrat (110) durch einen ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet ist, wobei der erste verteilte Bragg-Spiegel (115) durch den ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet ist, wobei der erste Teil des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (125-1) durch einen zweiten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet ist, und wobei der zweite Teil des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (125-2) durch den ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet ist.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, Alternative a), wobei die relative Dicke des zweiten Teils (115-2) des ersten verteilten Bragg-Spiegels bezüglich der Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils (115-1, 115-2) des ersten verteilten Bragg-Spiegels zwischen 0,2-0,6 beträgt.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, Alternative a), wobei das Substrat (110) durch einen ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet ist, wobei der erste Teil des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115-1) durch einen zweiten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet ist, wobei der zweite Teil des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115-2) durch einen ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet ist, wobei der zweite verteilte Bragg-Spiegel (125) durch den ersten Leitfähigkeitstyp gekennzeichnet ist.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 8, wobei der erste Leitfähigkeitstyp n-leitend ist, wobei der zweite elektrische Kontakt (150) auf der von der aktiven Schicht (120) abgewandten Seite des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (125) angeordnet ist, und wobei der zweite elektrische Kontakt (150) angeordnet ist, um ein Kathodenkontakt der Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) zu sein.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Reflexionsvermögen des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (125) niedriger ist als ein Reflexionsvermögen des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115), so dass während des Betriebs der Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) Laserlicht durch den zweiten verteilten Bragg-Spiegel (125) emittiert wird.
Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Reflexionsvermögen des zweiten verteilten Bragg-Spiegels (125) höher ist als ein Reflexionsvermögen des ersten verteilten Bragg-Spiegels (115), so dass während des Betriebs der Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) Laserlicht durch den ersten verteilten Bragg-Spiegel (115) emittiert wird.
Optischer Sensor, der die Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.
Laufzeitsensormodul (200), umfassend mindestens eine Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Laufzeitsensormodul (200) ferner einen elektrischen Treiber (130) aufweist, der angeordnet ist, um den Strom zwischen dem ersten elektrischen Kontakt (105) und dem zweiten elektrischen Kontakt (150) bereitzustellen.
Verfahren zum Herstellen einer Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats (110), Bereitstellen eines ersten elektrischen Kontakts (105), Bereitstellen eines ersten verteilten Bragg-Spiegels (115), Bereitstellen einer aktiven Schicht (120), so dass der erste verteilte Bragg-Spiegel (115) zwischen der aktiven Schicht (120) und dem Substrat (110) angeordnet ist, Bereitstellen eines zweiten verteilten Bragg-Spiegels (125), so dass die aktive Schicht (120) zwischen dem ersten verteilten Bragg-Spiegel (115) und dem zweiten verteilten Bragg-Spiegel angeordnet ist, Bereitstellen eines Tunnelkontakts (130), so dass der erste verteilte Bragg-Spiegel (115) getrennt wird in einen ersten Teil (115-1), umfassend mindestens ein Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, und einen zweiten Teil (115-2) umfassend mindestens ein Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei der erste Teil (115-1) und der zweite Teil (115-2, 125-2) gekennzeichnet sind durch unterschiedliche Leitfähigkeitstypen, wobei die relative Dicke des zweiten Teils (115-2) in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils (115-1, 115-2) des ersten verteilten Bragg-Spiegels zwischen 0,1-0,8 beträgt, Bereitstellen eines zweiten elektrischen Kontakts (150), wobei der erste elektrische Kontakt (105) und der zweite elektrische Kontakt (150) so angeordnet sind, dass sie einen elektrischen Antriebsstrom bereitstellen, um die Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) elektrisch zu pumpen.
Verfahren zum Herstellen einer Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats (110), Bereitstellen eines ersten elektrischen Kontakts (105), Bereitstellen eines ersten verteilten Bragg-Spiegels (115), Bereitstellen einer aktiven Schicht (120), so dass der erste verteilte Bragg-Spiegel (115) zwischen der aktiven Schicht (120) und dem Substrat (110) angeordnet ist, Bereitstellen eines zweiten verteilten Bragg-Spiegels (125), so dass die aktive Schicht (120) zwischen dem ersten verteilten Bragg-Spiegel (115) und dem zweiten verteilten Bragg-Spiegel angeordnet ist, Bereitstellen eines Tunnelkontakts (130), so dass der zweite verteilte Bragg-Spiegel (125) getrennt wird in einen ersten Teil (125-1), umfassend mindestens ein Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, und einen zweiten Teil (125-2), umfassend mindestens ein Paar von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei der erste Teil (125-1) und der zweite Teil (125-2) gekennzeichnet sind durch unterschiedliche Leitfähigkeitstypen, wobei der zweite Teil an einer Seite des Tunnelkontakts (130) angeordnet ist, die von der aktiven Schicht (120) abgewandt ist, wobei die relative Dicke des zweiten Teils (125-2) in Bezug auf die Gesamtdicke des ersten Teils und des zweiten Teils (125-1, 125-2) des zweiten verteilten Bragg-Spiegels zwischen 0,15-0,6 beträgt, Bereitstellen eines zweiten elektrischen Kontakts (150), wobei der erste elektrische Kontakt (105) und der zweite elektrische Kontakt (150) so angeordnet sind, dass sie einen elektrischen Antriebsstrom bereitstellen, um die Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser-Vorrichtung (100) elektrisch zu pumpen.