-
Die Erfindung betrifft einen VCSEL mit einer aus Halbleiterschichten aufgebauten vertikalen Resonatorstruktur, einen Sender zum Senden optischer Signalpulse, der einen VCSEL aufweist, ein Verfahren zum Betreiben eines VCSEL sowie ein Verfahren zum Herstellen eines VCSEL.
-
Oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität (VCSEL, engl.: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) werden aufgrund ihrer positiven Eigenschaften, wie einer kleinen Bauweise, geringen Herstellungskosten, geringem Energieverbrauch und ihrer guten Strahlqualität in vielen technischen Gebieten eingesetzt. VCSELs werden u.a. in optischen Sendern für die Datenübertragung benutzt und eignen sich insbesondere für eine Breitband-Signalübertragung. Die Hochgeschwindigkeits-Modulation heutzutage erhältlicher VCSEL unterliegt allerdings natürlichen Grenzen, die durch Ladungsträgertransportphänomene verursacht sind. Durch eine effiziente Ladungsträgerinjektion, eine hohe differenzielle Verstärkung und eine größere Photonendichte kann die Modulationsgeschwindigkeit einer Laserdiode verbessert werden. Die Ladungsträgerdichte und die Photonendichte in der Laserkavität sind allerdings nicht voneinander unabhängig, sondern durch die Relaxationsresonanzfrequenz miteinander verknüpft, die die natürliche Oszillation zwischen Ladungsträgern und Photonen in der Laserkavität beschreibt. Es ist somit schwierig, die Ladungsträgerlebensdauer und die Photonenlebensdauer unabhängig voneinander zu manipulieren.
-
Um die Photonenlebensdauer zu reduzieren, werden häufig dünne Multi-Quantum-Well-Strukturen verwendet, die in einem sehr kurzen Resonator mit hohem q-Faktor eingebettet sind. Ein solcher VCSEL bietet zwar eine reduzierte Photonenlebensdauer, hat jedoch aufgrund reduzierter Photonendichte in dem Laser den Nachteil eines geringen Extinktionsverhältnisses. Die Unterscheidung zwischen dem An-Zustand und dem Aus-Zustand des Lasers wird für hochentwickelte Hochgeschwindigkeits-Modulationsverfahren kompliziert. Andererseits kann eine hohe Injektionseffizienz zu nichtlinearen Effekten der Verstärkung führen, und die Modulationsantwort nimmt ab. Die Abklingzeit des Lasers (Übergang vom An- in den Aus-Zustand) wird dann der begrenzende Faktor.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten VCSEL bereitzustellen, der für Hochgeschwindigkeits-Modulationsverfahren geeignet ist.
-
Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, einen Sender zum Senden optischer Signalpulse mit einem solchen VCSEL bereitzustellen.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines VCSEL bereitzustellen.
-
Es ist schließlich eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines VCSEL bereitzustellen.
-
Erfindungsgemäß wird ein VCSEL bereitgestellt, mit einer aus Halbleiterschichten aufgebauten vertikalen Resonatorstruktur, die einen ersten Bragg-Reflektor, einen zweiten Bragg-Reflektor und zwischen dem ersten Bragg-Reflektor und dem zweiten Bragg-Reflektor einen aktiven Bereich zur Lichterzeugung aufweist, wobei auf einer ersten Seite des aktiven Bereichs ein p-dotierter erster Bereich und auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des aktiven Bereichs ein n-dotierter zweiter Bereich angeordnet ist, um eine Laserdiodenstruktur zu bilden, wobei die Resonatorstruktur zwischen dem ersten und zweiten Bragg-Reflektor weiterhin eine Tunneldiodenstruktur aufweist, die eine hoch-n-dotierte erste Halbleiterschicht und eine hoch-p-dotierte zweite Halbleiterschicht aufweist, wobei die hoch-n-dotierte erste Halbleiterschicht zu dem n-dotierten ersten Bereich näher angeordnet ist als die hoch-p-dotierte zweite Halbleiterschicht, und mit einer elektrischen Kontaktanordnung, die einen ersten Metallkontakt und einen zweiten Metallkontakt aufweist, wobei der erste und zweite Metallkontakt einen Strompfad definieren, der durch die Tunneldiodenstruktur und die Laserdiodenstruktur führt, derart, dass bei einer an die Kontaktanordnung angelegten Spannung, die bezüglich der Laserdiodenstruktur eine Sperrspannung und bezüglich der Tunneldiodenstruktur eine Vorwärtsspannung ist, Ladungsträger aus der Resonatorstruktur über die Tunneldiodenstruktur in den zweiten Metallkontakt abgeleitet werden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen VCSEL ist in die Resonatorstruktur eine Tunneldiode zum sehr schnellen Abführen von Ladungsträgern zumindest aus Teilen der Resonatorstruktur, insbesondere aus dem aktiven Bereich und den den aktiven Bereich der Laserdiodenstruktur umgebenden Schichten, integriert. Die Ladungsträgerentleerung erfolgt instantan beim Beaufschlagen der Tunneldiodenstruktur mit einer Spannung, die für die Laserdiodenstruktur eine Sperrspannung ist, für die Tunneldiodenstruktur jedoch eine Vorwärtsspannung. In diesem Fall wird über die Tunneldiodenstruktur ein Strompfad eröffnet, über den die Ladungsträger zu dem zweiten Metallkontakt abfließen können. Wenn der VCSEL mit einer Spannung beaufschlagt wird, die für die Laserdiodenstruktur eine Vorwärtsspannung ist, ist der Entleerungs-Strompfad über die Tunneldiode eliminiert, so dass keine Ladungsträger abfließen können, sondern der gesamte Strom durch den aktiven Bereich der Laserdiodenstruktur fließt.
-
Bei dem erfindungsgemäßen VCSEL ist die Abklingzeit vom An-Zustand zum Aus-Zustand des VCSEL signifikant reduziert, so dass zwischen dem An-Zustand und dem Aus-Zustand des VCSEL sehr gut unterschieden werden kann. Die Lichtemission des VCSEL kann somit mit sehr hoher Geschwindigkeit zwischen den Zuständen An und Aus moduliert werden.
-
Der gesamte VCSEL kann durch Anlegen einer bezüglich der Tunneldiodenstruktur geringfügigen Vorwärtsspannung (ungefähr-0,5 V; das Minuszeichen besagt, das die Spannung bezüglich der Laserdiodenstruktur eine Sperrspannung ist) von Ladungsträgern abgeleitet werden, wobei diese Spannung einen Esaki-Band-zu-Band-Tunneln in der Tunneldiodenstruktur ermöglicht. Da die Tunnelzeitdauer im Bereich von Femtosekunden liegt, geschieht das Ausschalten des Lasers unter der Wirkung der „Tunnel-Entleerung“ schneller als es durch die natürliche Abklingzeit des VCSEL möglich ist. Sogar für höhere Ladungsträgerdichten innerhalb des aktiven Bereichs und daher hoher Extinktionsverhältnisse zwischen den Pegeln im An-Zustand und Aus-Zustand, ermöglicht dieser durch den Tunneleffekt verstärkte Entleerungsmechanismus ein sehr schnelles Abklingen der Laseremission. Ein weiterer Vorteil ist, dass parasitäre Kapazitäten durch das Entleeren von freien Ladungsträgern innerhalb des VCSEL eliminiert oder zumindest reduziert werden können, wodurch eine Anhäufung von Ladung reduziert wird.
-
Wenn eine höhere Vorwärtsspannung in Bezug auf die Laserdiodenstruktur an die Kontaktanordnung angelegt wird, kann sich ein zusätzlicher Strompfad durch die in diesem Fall in Sperrrichtung beaufschlagte Tunneldiodenstruktur einstellen, was vorteilhafterweise zu einer Reduzierung von Inhomogenitäten in der Stromdichte auf der n-Kontaktseite führen kann.
-
Vorteilhaft ist es, wenn der zweite Metallkontakt die hoch-n-dotierte erste Halbleiterschicht und die hoch-p-dotierte zweite Halbleiterschicht der Tunneldiodenstruktur unmittelbar kontaktiert.
-
In dieser Ausgestaltung schließt der zweite Metallkontakt die Tunneldiodenstruktur kurz. Der zweite Metallkontakt ist in diesem Fall ein n/p-Hybridkontakt. Die Strominjektion zur Lichterzeugung erfolgt dabei über die n-leitende Halbleiterschicht der Tunneldiodenstruktur. Der so geschaffene Tunnel-Kontakt innerhalb der Laserkavität bewirkt eine verringerte Strompfadlänge zu dem Metallkontakt. Dies führt zu einem insgesamt reduzierten Ohm'schen Widerstand. Hierdurch kann, wie in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, der zweite Bragg-Reflektor ein nicht-dotierter Bereich der Resonatorstruktur sein, was wiederum den Vorteil hat, dass die Absorption des erzeugten Laserlichtes durch den zweiten Bragg-Reflektor verringert ist. Außerdem vereinfacht dies die Herstellung des VCSEL.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Tunneldiodenstruktur einer n-dotierten Kontaktschicht, die an die hoch-n-dotierte Halbleiterschicht angrenzt, und/oder einer p-dotierten Kontaktschicht, die an die hoch-p-dotierte Halbleiterschicht angrenzt, benachbart ist. Der zweite Metallkontakt kontaktiert dabei die n-dotierte und die p-dotierte Kontaktschicht sowie die Tunneldiodenstrukturschichten. Aufgrund der inversen Polarisation der Tunneldiodenstruktur wird der Strom bei einer in Bezug auf die Laserdiodenstruktur angelegten Vorwärtsspannung in dem p-dotierten Bereich der Tunneldiodenstruktur blockiert, was einen Strompfad durch den n-dotierten Bereich der Tunneldiodenstruktur zu dem zweiten Metallkontakt ermöglicht. Dies vereinfacht das Herstellen des zweiten Metallkontaktes als Intrakavitäts-Kontakt, da der auf diese Weise kronenförmig ausgebildete zweite Metallkontakt über die gesamte Tunneldiodenstruktur aufgebracht werden kann.
-
Die Resonatorstruktur kann aus dem Materialsystem AIGaAs/GaAs aufgebaut sein, wobei die zuvor genannte n-dotierte Kontaktschicht und/oder die p-dotierte Kontaktschicht GaAs-Schichten sein können.
-
In einer alternativen Ausgestaltung kann sich an die hoch-p-dotierte Halbleiterschicht der Tunneldiodenstruktur eine p-dotierte Kontaktschicht anschließen, wobei der zweite Metallkontakt nur die p-dotierte Kontaktschicht kontaktiert. Der zweite Metallkontakt schließt in dieser Ausgestaltung die p- und n-leitenden Schichten der Tunneldiodenstruktur nicht kurz. Der zweite Metallkontakt ist in dieser Ausgestaltung ein p-Kontakt.
-
Der erste Metallkontakt kontaktiert vorteilhafterweise eine p-leitende Kontaktschicht, die auf dem ersten Bragg-Reflektor angeordnet ist.
-
Der erste Bragg-Reflektor ist entsprechend vorzugsweise ein p-dotierter Bereich der Resonatorstruktur.
-
Insgesamt kann der erfindungsgemäße VCSEL eine p-i-n-n+-p+-p-i-Struktur aufweisen, wobei der erste intrinsische Bereich der aktive Bereich und der zweite Bereich der zweite Bragg-Reflektor ist, und wobei die n+- und die p+- Schichten die Tunneldiodenstruktur bilden.
-
In einer weiteren Ausführungsform kann der p-dotierte erste Bereich auf der ersten Seite des aktiven Bereichs und der n-dotierte zweite Bereich auf der zweiten Seite des aktiven Bereichs eine SCH (separate confinement heterostructure)-Struktur aufweisen. Der p-dotierte erste Bereich kann auch den ersten Bragg-Reflektor umfassen.
-
Die Resonatorstruktur kann eine Mesa aufweisen, wobei die Halbleiterschichten der Tunneldiodenstruktur und der Laserdiodenstruktur in der Mesa angeordnet sind.
-
In dieser Ausgestaltung ist der zweite Metallkontakt vorzugsweise ein p- Kontakt, der eine p-leitende Kontaktschicht kontaktiert.
-
Alternativ kann die Resonatorstruktur eine Mesa aufweisen, wobei die Halbleiterschichten der Tunneldiodenstruktur außerhalb der Mesa angeordnet sind.
-
In dieser Ausgestaltung ist der zweite Metallkontakt vorzugsweise ein n/p- Hybridkontakt, wie oben beschrieben wurde.
-
Die an zweiter Stelle genannte Aufgabe der Erfindung wird durch einen Sender zum Senden optischer Signalpulse gelöst, mit einem erfindungsgemäßen VCSEL und mit einem elektrischen Treiber, wobei der Treiber dazu ausgelegt ist, zur Emission eines optischen Signalpulses durch den VCSEL eine erste Spannung an die Kontaktanordnung anzulegen, die bezüglich der Laserdiodenstruktur eine Vorwärtsspannung und bezüglich der Tunneldiodenstruktur eine Sperrspannung ist, und zum Ausschalten der Emission eine zweite Spannung an die Kontaktanordnung anzulegen, die bezüglich der Tunneldiodenstruktur eine Vorwärtsspannung und bezüglich der Laserdiodenstruktur eine Sperrspannung ist.
-
Erfindungsgemäß wird die an dritter Stelle genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen VCSEL gelöst, mit den Schritten:
- Anlegen einer ersten Spannung an die Kontaktanordnung, die bezüglich der Laserdiodenstruktur eine Vorwärtsspannung ist, um einen Lichtpuls von dem VCSEL zu emittieren,
- Anlegen einer zweiten Spannung an die Kontaktanordnung, die ein umgekehrtes Vorzeichen wie die erste Spannung aufweist, und die bezüglich der Tunneldiodenstruktur eine Vorwärtsspannung ist, um die Emission durch den VCSEL auszuschalten.
-
Die erste Spannung kann dabei betragsmäßig größer sein als die zweite Spannung. Wie bereits oben beschrieben, reicht eine geringe Vorwärtsspannung U (U < 0V) an der Tunneldiodenstruktur aus, um die Ladungsträger aus den den aktiven Bereich umgebenden Halbleiterschichten zu entleeren.
-
Die erste Spannung kann betragsmäßig so groß gewählt sein, dass sich ein zusätzlicher Strompfad durch die bei der ersten Spannung in Sperrrichtung betriebene Tunneldiodenstruktur ergibt. Der zusätzliche Strompfad ergibt sich dabei durch den Zenerstrom durch die Tunneldiodenstruktur.
-
Schließlich wird erfindungsgemäß zur Lösung der an vierter Stelle genannten Aufgabe ein Verfahren zum Herstellen eines VCSEL bereitgestellt, mit den Schritten:
- Fertigen einer vertikalen Resonatorstruktur aus Halbleiterschichten, die einen ersten Bragg-Reflektor, einen zweiten Bragg-Reflektor und zwischen dem ersten Bragg-Reflektor und dem zweiten Bragg-Reflektor einen aktiven Bereich zur Lichterzeugung aufweist, wobei auf einer ersten Seite des aktiven Bereichs ein p-dotierter erster Bereich und auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite des aktiven Bereichs ein n-dotierter zweiter Bereich angeordnet ist, um eine Laserdiodenstruktur zu bilden, wobei die Resonatorstruktur zwischen dem ersten und zweiten Bragg-Reflektor weiterhin eine Tunneldiodenstruktur aufweist, die eine hoch-n-dotierte erste Halbleiterschicht und eine hoch-p-dotierte zweite Halbleiterschicht aufweist, wobei die hoch-n-dotierte erste Halbleiterschicht zu dem n-dotierten ersten Bereich näher angeordnet ist als die hoch-p-dotierte zweite Halbleiterschicht,
- Kontaktieren des VCSEL mit einer elektrischen Kontaktanordnung, die einen ersten Metallkontakt und einen zweiten Metallkontakt aufweist, wobei der erste und zweite Metallkontakt einen Strompfad definieren, der durch die Tunneldiodenstruktur und die Laserdiodenstruktur führt, derart, dass bei einer an die Kontaktanordnung angelegten Spannung, die bezüglich der Laserdiodenstruktur eine Sperrspannung und bezüglich der Tunneldiodenstruktur eine Vorwärtsspannung ist, Ladungsträger aus der Resonatorstruktur über die Tunneldiodenstruktur in den zweiten Metallkontakt abgeleitet werden.
-
Es versteht sich, dass der Sender zum Senden optischer Signalpulse, das Verfahren zum Betreiben eines VCSEL sowie das Verfahren zum Herstellen eines VCSEL die gleichen oder ähnliche Vorteile aufweisen wie der VCSEL nach einer oder mehreren der vorstehend genannten Ausgestaltungen.
-
Ebenso versteht es sich, dass der Sender, das Verfahren zum Betreiben und das Verfahren zum Herstellen eines VCSEL die gleichen bevorzugten Ausgestaltungen aufweisen können wie der VCSEL.
-
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 schematisch einen Schichtaufbau eines Ausführungsbeispiels eines VCSEL;
- 2 ein Ausführungsbeispiel eines VCSEL mit elektrischer Kontaktanordnung;
- 3 ein gegenüber 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines VCSEL mit elektrischer Kontaktanordnung;
- 4a) den VCSEL in 2 im An-Zustand, wobei der zugehörige Strompfad veranschaulicht ist,
- 4b) ein Spannungs-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des VCSEL;
- 5a) den VCSEL in 2 im Aus-Zustand, wobei der zugehörige Strompfad veranschaulicht ist;
- 5b) das Spannungs-Zeit-Diagramm in 4b) zur weiteren Veranschaulichung des Verfahrens zum Betreiben des VCSEL;
- 6 ein Blockschaltdiagramm eines Senders zum Senden optischer Signalpulse mit einem VCSEL gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
- 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines VCSEL gemäß der vorliegenden Offenbarung.
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikaler Resonatorstruktur, kurz VCSEL, bei dem in die Resonatorstruktur eine Tunneldiodenstruktur integriert ist, die dazu dient, die Abklingzeit beim Übergang vom An- in den Aus-Zustand des VCSEL zu verkürzen. Ein VCSEL gemäß der vorliegenden Offenbarung ist somit insbesondere für Anwendungen geeignet, bei denen der VCSEL mit hoher Modulationsgeschwindigkeit betrieben wird.
-
Mit Bezug auf 1 wird zunächst ein Schichtaufbau eines solchen VCSEL beschrieben.
-
Der Halbleiterschichtaufbau weist ein Substrat 20 auf, das n-dotiert sein kann. Das Substrat kann alternativ auch undotiert sein. Das Substrat 20 dient als Wafer für das epitaktische Wachsen der nachfolgend zu beschreibenden Halbleiterschichten.
-
Auf dem Substrat 20 ist ein Bragg-Reflektor 22 angeordnet. Der Bragg-Reflektor 22, der auch als DBR (Distributed Bragg-Reflektor) bezeichnet wird, weist typischerweise eine Mehrzahl an Halbleiterschichtpaaren auf, wobei jedes Paar eine Schicht mit hohem Brechungsindex und eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex aufweist. Der Bragg-Reflektor 22 ist vorzugsweise ein nicht-dotierter Bereich, d.h. die Halbleiterschicht des Bragg-Reflektors 22 ist aus einem intrinsischen Halbleitersystem aufgebaut. „Intrinsisch“ bedeutet in der vorliegenden Beschreibung, dass die Halbleiterschichten nicht bewusst mit Fremdatomen dotiert sind, wobei „intrinsisch“ jedoch nicht das Vorhandensein von Fremdatomen in geringer Menge ausschließt.
-
An den Bragg-Reflektor 22 schließt sich eine Kontaktschicht 24 an. Die Kontaktschicht 24 ist insbesondere eine p-leitende Kontaktschicht. Die Kontaktschicht 24 kann eine Dicke im Bereich von 50 nm bis 150 nm aufweisen.
-
Auf der Kontaktschicht 24 ist eine Tunneldiodenstruktur 26 angeordnet. Die Tunneldiodenstruktur 26 weist zumindest eine hoch-p-dotierte Schicht 26a und zumindest eine hoch-n-dotierte Schicht 26b auf. Die Schichtdicke der zumindest einen hoch-p-dotierten Schicht 26a und die Schichtdicke der zumindest einen hoch-n-dotierten Schicht 26b kann jeweils im Bereich von 5 nm bis 25 nm liegen.
-
An die Tunneldiodenstruktur 26 schließt sich eine weitere Kontaktschicht 28 an, die eine n-leitende Kontaktschicht ist. Die n-Kontaktschicht 28 kann eine Schichtdicke im Bereich von 25 nm bis 75 nm aufweisen.
-
An die n-Kontaktschicht 28 schließt sich eine Laserdiodenstruktur 29 an, die einen aktiven Bereich 32 und beidseits des aktiven Bereichs 32 jeweils eine SCH-Struktur 30 bzw. 34 aufweist (SCH: Separate Confinement Heterostructure). Die SCH-Struktur 30 ist ein n-dotierter Bereich der Halbleiterschichtstruktur, und die SCH-Struktur 34 ist ein p-dotierter Bereich der Halbleiterschichtstruktur.
-
An die Laserdiodenstruktur 29 schließt sich ein weiterer Bragg-Reflektor 36 an, der im vorliegenden Fall ein p-dotierter Bereich des Halbleiterschichtaufbaus ist.
-
Auf dem Bragg-Reflektor 36 ist eine weitere Kontaktschicht 38 angeordnet, die eine p-leitende Kontaktschicht ist.
-
Die Halbleiterschichten von dem Bragg-Reflektor 22 bis zu dem Bragg-Reflektor 36 bilden eine vertikale Resonatorstruktur 40.
-
Die hoch-n-dotierte Schicht oder Schichten 26b der Tunneldiodenstruktur 26 ist dem n-dotierten Bereich 30 der Laserdiodenstruktur näher angeordnet als die hoch-p-dotierte Schicht oder Schichten 26a der Tunneldiodenstruktur 26. Dies bedeutet, dass die Polarität des p-n-Übergangs in der Tunneldiodenstruktur 26 zu der Polarität des p-n-Übergangs in der Laserdiodenstruktur 29 umgekehrt ist. Die Dotierung der n+- und p+- Schichten kann höher als 1019cm-3 sein.
-
Der aktive Bereich 32 kann einen oder mehrere Quantum-Wells aufweisen.
-
Die Halbleiterschichten des Schichtaufbaus des VCSEL können insbesondere auf dem Materialsystem Aluminiumgalliumarsenid/Galliumarsenid basieren (AIGaAs/GaAs). Das Substrat 20 kann aus GaAs bestehen. Die beiden Bragg-Reflektoren 22 und 36 können aus AIGaAs/GaAs-Schichten bestehen. Die p-Kontaktschicht 24 kann aus GaAs gebildet sein. Die Schichten 26a, 26b der Tunneldiodenstruktur 26 können aus GaAs gebildet sein. Die n-Kontaktschicht 28 kann aus GaAs gebildet sein. Die Schichten der SCH-Strukturen 30, 34 können aus AlGaAs gebildet sein. Der aktive Bereich 32 kann einen oder mehrere Quantum-Wells aus AIGaAs/GaAs-Schichten aufweisen. Die p-Kontaktschicht 38 kann aus GaAs gebildet sein.
-
In 2 ist ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehener VCSEL gezeigt, der den Schichtaufbau gemäß 1 aufweist. Zur Vereinfachung der Darstellung wurden manche der Halbleiterschichten bzw. Bereiche des Schichtaufbaus in 1 in 2 blockartig zusammengefasst.
-
Gemäß 2 wurde der Schichtaufbau in 1 nach dem epitaktischen Wachsen geätzt, um in der Resonatorstruktur 40 eine Mesa M zu bilden. Die Mesa M umfasst dabei die p-Kontaktschicht 38, den Bragg-Reflektor 36, und die Laserdiodenstruktur 29 mit den SCH-Strukturen 30 und 34. Dagegen ist die Tunneldiodenstruktur 26 nebst der n-Kontaktschicht 28 und der p-Kontaktschicht 24 vollflächig auf dem Substrat 20 ausgebildet, wobei unter „vollflächig“ auch zu verstehen ist, dass sich die Schichten 24, 26, 28 auf dem Substrat 20 lateral weiter erstrecken als die Mesa M, ohne sich jedoch über die gesamte Fläche des Substrats 20 zu erstrecken.
-
Der VCSEL weist des Weiteren eine elektrische Kontaktanordnung auf, die einen Metallkontakt 42 und einen Metallkontakt 44 aufweist. Der Metallkontakt 42 ist auf der p-Kontaktschicht 38 angeordnet und entsprechend als p-Kontakt ausgebildet. Der Metallkontakt 42 kann insbesondere ringförmig ausgebildet sein, so dass in dem aktiven Bereich 32 generiertes Laserlicht durch den ringförmigen Metallkontakt 42 hindurch emittiert werden kann, wie mit Pfeilen 46 angedeutet ist. Der Metallkontakt 42 kann sich vollumfänglich erstrecken, oder auch nur abschnittsweise.
-
Der Metallkontakt 44 der elektrischen Kontaktanordnung kann, wie in 2 gezeigt, ebenfalls ringförmig ausgebildet sein. Der Metallkontakt 44 kann vollumfänglich oder nur abschnittsweise ausgebildet sein. Der Metallkontakt 44 kontaktiert sowohl die n-Kontaktschicht 28 als auch p-Kontaktschicht 24 und die dazwischen liegenden hoch-dotierten-n- und p-Schichten der Tunneldiodenstruktur 26. Der Metallkontakt 44 ist somit ein n/p-Hybridkontakt.
-
Der Metallkontakt 44 ist kronenartig ausgebildet und erstreckt sich durch die Schichten 24, 26a, 26b und 28. Der Metallkontakt 44 kontaktiert die hoch-dotierten n- und p-Schichten der Tunneldiodenstruktur unmittelbar. Der Metallkontakt 44 bildet mit der Tunneldiodenstruktur 26 in diesem Ausführungsbeispiel einen Intra-Resonator-Tunneldiodenkontakt.
-
3 zeigt ein gegenüber 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines VCSEL 10'. Der VCSEL 10' weist ebenfalls die Halbleiterschichtstruktur von 1 auf. Der VCSEL 10' unterscheidet sich jedoch von dem VCSEL 10 in 2 dadurch, dass die Mesa M' bis auf die p-Kontaktschicht 24 heruntergeätzt wurde. Die Halbleiterschichten der Tunneldiodenstruktur 26 sind daher zusammen mit der Laserdiodenstruktur 29 innerhalb der Mesa M' angeordnet. Der Metallkontakt 44 kontaktiert in diesem Ausführungsbeispiel nur die p-Kontaktschicht 24. Der Metallkontakt 44 ist in diesem Fall als p-Kontakt ausgebildet, ebenso wie der Metallkontakt 42.
-
Mit Bezug auf 4a), 4b) und 5a), 5b) wird anhand des Ausführungsbeispiels des VCSEL 10 in 2 ein Verfahren zum Betreiben des VCSEL 10 beschrieben, wobei die Beschreibung auch die Funktionsweise der Tunneldiodenstruktur 26 veranschaulicht.
-
4a) zeigt den Fall, dass an die Metallkontakte 42 und 44 eine Spannung U angelegt wird, die in Bezug auf die Laserdiodenstruktur 29 eine Vorwärtsspannung ist, wie mit + über dem Metallkontakt 42 und - über dem Metallkontakt 44 angedeutet ist. Bei einer solchen positiven Spannung, die für die Laserdiodenstruktur 29 eine Vorwärtsspannung ist, ist die Tunneldiodenstruktur 26 in Sperrrichtung beaufschlagt. Aufgrund der inversen Polarisation der Tunneldiodenstruktur 26 bezüglich der Laserdiodenstruktur 26 wird der Strom in dem p-dotierten Bereich der Tunneldiodenstruktur 26 geblockt, während sich ein Strompfad durch den n-dotierten Bereich der Tunneldiodenstruktur 26 und durch in die Laserdiodenstruktur 29 zum Metallkontakt 42 ergibt, wodurch der aktive Bereich 32 Laserdiodenstruktur 29 zur stimulierten Emission angeregt wird. In 4a) ist der Strompfad mit unterbrochenen Linien zwischen dem Metallkontakt 44 und dem Metallkontakt 42 angedeutet.
-
Die Spannung U kann beispielsweise 2 V betragen, wie in 4b) gezeigt ist. Durch Anlegen der positiven Spannung U wird der VCSEL eingeschaltet, wie mit „on“ veranschaulicht ist. Der Metallkontakt 44 ist in diesem Fall ein n-Kontakt. Wenn die positive Spannung einen höheren Wert annimmt, kann sich eine zusätzliche Leitfähigkeit durch die Tunneldiodenstruktur 26 als Zenerstrom ergeben.
-
Zum Überführen des VCSEL aus dem An- in den Auszustand wird gemäß 5a) eine geringfügig negative Spannung U von etwa -0,5 V an die Metallkontakte 42 und 44 angelegt, die bezüglich der Laserdiodenstruktur 29 eine Sperrspannung und in Bezug auf die Tunneldiodenstruktur 26 eine Vorwärtsspannung ist. Dies ist mit - über dem Metallkontakt 42 und + über dem Metallkontakt 44 veranschaulicht. Da die Laserdiodenstruktur 29 nunmehr in Sperrrichtung beaufschlagt ist, während die Tunneldiodenstruktur 26 in Vorwärtsrichtung mit einer geringfügigen Spannung beaufschlagt ist, bewirkt die Tunneldiodenstruktur 26 eine Ableitung von Ladungsträgern über die Tunneldiodenstruktur 26 aus dem aktiven Bereich 32 und den an den aktiven Bereich 32 angrenzenden oder diesen umgebenden Halbleiterschichten, wie mit den unterbrochenen Strompfeilen angedeutet ist. Die geringfügig negative Spannung, beispielsweise -0,5 V, ermöglicht ein Esaki-Band-zu-Band-Tunneln in der Tunneldiodenstruktur 26. Da die Tunnelzeit im Femtosekundenbereich liegt, geschieht dieses „Tunnel-Entleerungs-Ausschalten“ schneller als das natürliche Ausschalten des VCSEL, d.h. die Abklingzeit der Lichtemission ist deutlich geringer als ohne die Tunneldiodenstruktur. Der Aus-Zustand des VCSEL 10 wird somit schneller erreicht als ohne die Tunneldiodenstruktur 26. In 5b) ist der Aus-Zustand mit „off“ gekennzeichnet.
-
Selbst bei höheren Ladungsträgerdichten innerhalb der Quantum-Wells des aktiven Bereichs 32 und daher hohen Extinktionsverhältnissen zwischen dem Pegel im An-Zustand und dem Pegel im Aus-Zustand ermöglicht dieser durch den Tunneleffekt verstärkte Entleerungsmechanismus eine sehr kurze Abklingzeit des VCSEL. Der VCSEL 10 kann daher schneller von dem An-Zustand in den Aus-Zustand überführt werden als ein herkömmlicher VCSEL.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel in 2 bietet der Intra-Resonator-Kontakt 44 eine verringerte Strompfadlänge auf der n-leitenden Seite zu dem Metallkontakt 44. Hierdurch wird der Ohm'sche Widerstand insgesamt reduziert. Des Weiteren wird es hierdurch ermöglicht, dass der Bragg-Reflektor 22 unterhalb der Tunneldiodenstruktur 26 nicht dotiert sein muss, da er nicht zur Leitfähigkeit beitragen muss, wodurch die optische Absorption in dem Bragg-Reflektor 22 vorteilhaft reduziert wird.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel in 3 ist der Metallkontakt 44 ein p-Kontakt und steht nur mit der p-Kontaktschicht 24 in Berührung. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist die Polarität der Tunneldiodenstruktur 26 umgekehrt zur Polarität der Laserdiodenstruktur 29. Bei an die Metallkontakte 42 und 44 angelegter positiver Spannung (vgl. 4a)) erfolgt der Stromfluss zum Pumpen des aktiven Bereichs 32 durch die Tunneldiodenstruktur 26, wobei durch die Tunneldiodenstruktur in diesem Fall der Zenerstrom fließt. Durch Anlegen einer geringfügig negativen Spannung, die entsprechend für die Laserdiodenstruktur 29 eine Sperrspannung ist, während sie für die Tunneldiodenstruktur 26 eine Vorwärtsspannung ist, werden zur Reduzierung der Abklingzeit der Laseremission wieder Ladungsträger aus dem aktiven Bereich 32 und den diesen umgebenden oder den an diesen angrenzenden Halbleiterschichten über die Tunneldiodenstruktur 26 abgeleitet.
-
Der VCSEL 10 und der VCSEL 10' sind somit insbesondere für Sender zum Senden optischer Signalpulse mit hoher Modulationsgeschwindigkeit geeignet.
-
6 zeigt einen Sender 50, mit dem VCSEL 10 (oder dem VCSEL 10') und einem elektrischen Treiber 52. Der Treiber 52 ist dazu ausgelegt, zur Emission eines optischen Signalpulses eine erste Spannung an die Kontaktanordnung 42, 44 anzulegen, die bezüglich der Laserdiodenstruktur 29 eine Vorwärtsspannung und bezüglich der Tunneldiodenstruktur 26 eine Sperrspannung ist, und zum Ausschalten der Emission eine zweite Spannung an die Kontaktanordnung 44, 46 anzulegen, die bezüglich der Tunneldiodenstruktur 26 eine Vorwärtsspannung und bezüglich der Laserdiodenstruktur 29 eine Sperrspannung ist, wie oben beschrieben wurde.
-
Die erste Spannung kann betragsmäßig größer sein als die zweite Spannung. Die erste Spannung kann betragsmäßig so groß gewählt werden, dass sich ein zusätzlicher Strompfad durch die bei der ersten Spannung in Sperrrichtung betriebene Tunneldiodenstruktur 26 ergibt.
-
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen des VCSEL 10 oder des VCSEL 10'.
-
In einem Schritt S10 wird die vertikale Resonatorstruktur 40 gefertigt. Die vertikale Resonatorstruktur 40 wird dabei auf dem Substrat 20 epitaktisch gewachsen. Das epitaktische Wachsen der Halbleiterschichten wird vorzugsweise fortlaufend ohne Unterbrechung durchgeführt. Die Dicken sowie die Dotierungskonzentrationen der unterschiedlichen Halbleiterschichten werden durch die Epitaxie definiert.
-
Auf der epitaktisch gewachsenen Resonatorstruktur 40 wird auch die p-Kontaktschicht 38 im selben Verfahrensablauf gewachsen.
-
In einem Schritt S12 wird der Schichtaufbau geätzt, um die Mesa M oder die Mesa M' zu bilden.
-
Nach dem Ätzen der Mesa M oder M' kann sich ein Schritt zur Erzeugung einer Stromaperturblende anschließen. Die Stromaperturblende kann durch Oxidation einer oder mehrerer der Halbleiterschichten, insbesondere einer Aluminium enthaltenden Schicht (beispielsweise AlGaAs), realisiert werden. Eine Stromapertur kann alternativ durch Ionenimplantation erzeugt werden.
-
In einem Schritt S14 wird der VCSEL mit der elektrischen Kontaktanordnung 42, 44 kontaktiert. Die Metallkontakte 42, 44 definieren dabei einen Strompfad, der durch die Tunneldiodenstruktur 26 und die Laserdiodenstruktur 29 führt, so dass bei einer an die Kontaktanordnung angelegten Spannung, die bezüglich der Laserdiodenstruktur 29 eine Sperrspannung und bezüglich der Tunneldiodenstruktur 26 eine Vorwärtsspannung ist, Ladungsträger über die Tunneldiodenstruktur 26 abgeleitet werden.
-
Der VCSEL 10 oder der VCSEL 10' sind in den gezeigten Ausführungsbeispielen als Topemitter ausgebildet, d.h. die Lichtemission erfolgt durch die dem Substrat 22 abgewandte Seite des VCSEL 10 bzw. 10'. Der Bragg-Reflektor 22 weist entsprechend eine höhere Reflektivität auf als der Bragg-Reflektor 36. Die Reflektivität des Bragg-Reflektors 22 kann dabei über 99,5 % liegen, während die Reflektivität des Bragg-Reflektors 36 geringer als 99 % sein kann, beispielsweise etwa 98 %.
