DE102023116889A1 - Optoelektronisches Bauelement ausgebildet als VCSEL und Verfahren zur Herstellung eines solchen - Google Patents
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Abstract
Optoelektronisches Bauelement ausgebildet als VCSEL mit einem p-dotierten, oberen, inneren DBR-Gitter (14), einer aktiven Schicht (24) zur Erzeugung einer Strahlung mit einer vorgegebenen Wellenlänge, einer Wärmespreizschicht (24), einem n-dotierten, unteren, inneren DBR-Gitter (32) und einem p-dotierten, äußeren DBR-Gitter (34)wobei die aktive Zone (24) zwischen dem inneren, oberen und unteren DBR-Gitter (14, 32) angeordnet ist,wobei sich zwischen der aktiven Zone (24) und dem unteren, inneren DBR-Gitter (32) die Wärmespreizschicht (26) befindet,wobei das obere DBR-Gitter (14) eine elektrisch nicht leitende Blende (16) aufweist,wobei das äußere DBR-Gitter (34) derart ausgebildet ist, dass Wellenlängen unterhalb der vorgegebenen Wellenlänge gefiltert bzw. absorbiert werden,wobei das äußere DBR-Gitter (34) auch ein Teil einer darunter folgenden pin-Diode (40) ist, die zudem eine absorbierende intrinsischen Schicht (36) und eine n-Schicht (38) aufweist,wobei die DBR-Gitter (14, 32, 34) aus AI(x)Ga(1-x)As gefertigt sind und Schichtfolgen mit periodisch wechselnden Al- und Ga-Anteilen aufweisen,wobei die Al- und Ga-Anteile in Abhängigkeit der vorgegebenen Wellenlänge eingestellt werden,wobei ein minimaler Al-Anteil der inneren DBR-Gitter (14, 32) größer ist als ein minimaler Al-Anteil des äußeren DBR-Gitters (34).
Description
- Die Erfindung geht aus von einem optoelektronischen Bauelement ausgebildet als VCSEL und ein Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
- Aus der
EP 1256151 B1 ist bereits ein VCSEL mit einem monolithisch integriertem Photodetektor bekannt, mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht zwischen DBR-Gittern als Reflektoren und einem mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht versehenen Photodetektor innerhalb eines der DBR-Gitter. - Aus der
US 2011/0064110 A1 - Die
US 2005/0041714 A1 - Die
US 2002/0121647 A1 - Kohärente optische Messtechnik ermöglicht schnelle und genaue Abstands- und Geschwindigkeitsmessungen. Es sind damit 1D- und 3D- Sensoren denkbar. Es können verschiedene Lichtquellen und Detektoren verwendet werden. Die Lichtquelle sollte monochromatisches Licht emittieren und je nach Anwendungsfall auch in der Frequenz veränderbar sein. Üblicherweise werden solche Lichtquellen im nahen Infrarotbereich verwendet. Je nach verwendeter Optik sind die zu detektierenden Interferenzmuster recht klein. Die Anforderung an den Detektor ist derart, dass die Pixel bzw. der Pixelpitch klein genug ist, damit das Interferenzmuster ohne Informationsverlust detektiert werden kann.
- Die Erfindung soll folgende Punkte berücksichtigen:
- Die Lichtquelle sollte für das menschliche Auge sichtbar sein.
- Eine komplizierte Justage von optischen Komponenten bzw. Ausrichten von Lichtquelle und Detektor sollte möglichst vermieden werden.
- Der Detektor sollte klein genug sein, damit er örtlich feine Interferenzstrukturen erkennen kann und eine hohe Detektionsbandbreite von ~1MHz zur Detektion von bewegten Objekten im Bereich von ~1 m/s über die Dopplerverschiebung ermöglicht.
- Die Lichtquelle sollte wenig Energie verbrauchen und die Emissionsfrequenz kontrolliert verändert werden können, damit auch das Vorzeichen eines bewegten Objektes ermittelt werden kann.
- Die Polarisation sollte linear und stabil sein.
- Ein roter einmodiger VCSEL mit stabiler Polarisation und integrierter Photodiode mit hoher Ausgangsleistung für den relevanten Temperaturbereich sowie guter Lebensdauer ist für diese Anwendung eine attraktive Lösung.
- Aufgabe ist es ein optoelektronisches Bauelement zur Lösung der vorgenannten Anforderungen darzustellen.
- Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
- Vorteilhaft ist ein optoelektronisches Bauelement ausgebildet als VCSEL vorgesehen, mit einem p-dotierten, oberen, inneren DBR-Gitter, einer aktiven Schicht zur Erzeugung einer Strahlung mit einer vorgegebenen Wellenlänge, einer Wärmespreizschicht, einem n-dotierten, unteren, inneren DBR-Gitter und einem p-dotierten, äußeren DBR-Gitter
wobei die aktive Zone zwischen dem inneren, oberen und unteren DBR-Gitter angeordnet ist,
wobei sich zwischen der aktiven Zone und dem unteren, inneren DBR-Gitter die Wärmespreizschicht befindet,
wobei das obere DBR-Gitter eine elektrisch nicht leitende Blende aufweist,
wobei das äußere DBR-Gitter derart ausgebildet ist, dass Wellenlängen unterhalb der vorgegebenen Wellenlänge gefiltert bzw. absorbiert werden,
wobei das äußere DBR-Gitter auch ein Teil einer darunter folgenden pin-Diode ist, die zudem eine absorbierende intrinsischen Schicht und eine n-Schicht aufweist, wobei die DBR-Gitter aus AI(x)Ga(1-x)As gefertigt sind und Schichtfolgen mit periodisch wechselnden Al- und Ga-Anteilen aufweisen,
wobei die Al- und Ga-Anteile in Abhängigkeit der vorgegebenen Wellenlänge eingestellt werden,
wobei ein minimaler Al-Anteil der inneren DBR-Gitter größer ist als ein minimaler Al-Anteil des äußeren DBR-Gitters. - Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass störende kurzwellige Lichtanteile effektiv ausgeblendet werden können.
- Es zeigen schematisch
-
1 ein erfindungsgemäßen optoelektronisches Bauelement, -
2 eine Licht- und Stromverteilung im Bauelement gemäß1 . - VCSEL als Lichtquelle mit integrierter Photodiode in der als Halbleiterchip prozessierten Struktur, um kohärente Detektion zu ermöglichen sind erfindungsgemäß bevorzugt.
- Problem elektrische Kontaktierung „Intra-Cavity“: Es existieren keine VCSEL die bei Wellenlängen kleiner 700nm Laserlicht erzeugen und eine integrierte Photodiode besitzen, um kohärente Detektion zu ermöglichen. Der Grund ist eine WärmespreizSchicht aus AlAs, welche möglichst nahe an der aktiven Zone, dort wo das Laserlicht verstärkt wird, platziert wird, um Laserbetrieb auch bei hohen Temperaturen zu ermöglichen. Dieses AlAs darf nicht weggeätzt werden, um die darunter liegende Photodiode zu kontaktieren, da AlAs sehr reaktiv mit der Umgebung ist. Die hier vorgeschlagene Lösung ist die Realisierung eines Diffusionskontakt über der AlAs Schicht im weitgehend undotierten Materialsystem AlGaInP oder ggf. auch andere Materialsysteme.
- Problem Störlicht Vermeidung an der Photodiode: Die integrierte Photodiode sollte möglichst kein Störlicht detektieren, um das Signallicht besser erkennen zu können. Hierzu wird ein in den DBR integrierter Wellenlängenfilter vorgeschlagen, welcher das Problem der dicken Epitaxieschichten und damit der ausbeuteanfälligen Herstellung von VCSEL Bauelementen vereinfacht.
-
1 und2 zeigen ein erfindungsgemäßes VCSEL 1 mit einer Photodiode. Die VCSEL-Struktur 1 ist vorzugsweise für eine Laserwellenlänge kleiner 700 nm konzipiert, selbstverständlich kann diese Struktur auch für andere Wellenlängen oder andere Materialsysteme ausgelegt werden. - Das optoelektronische Bauelement weist von oben nach unten auf: einen p-leitenden Kontakt 21, ein p-leitendes inneres DBR-Gitter 14 aus AlGaAs, eine Oxidationsblende 16, n-leitende Kontakte 22 auf einer aktiven Schicht 24, eine Wärmespreizschicht 26 aus AlAs, ein n-leitendes inneres DBR-Gitter 32, ein p-leitendes äußeres DBR-Gitter 34, eine intrinsische i-Schicht 36, eine n-Schicht 38, ein n-dotiertes GaAs-Substrat 45 und ein n-leitenden Kontakt 50.
- Die pin-Photodiode 40, gebildet aus den Bereichen 34, 36 und 38, arbeitet mit AlGaAs als Material mit Licht-absorbierender Funktion, wobei der Anteil von Aluminium in AlGaAs auf die Wellenlänge (Absorptionsfähikeit) des Lichts optimiert ist, um Störlicht (=spontantes Licht) zu minimieren und somit einen Teil des Wellenlängen-selektiven Filters darstellt.
- Die eigentliche VCSEL-Struktur enthält einen p-leitenden DBR 34 (Distributed-Bragg-Reflektor) Spiegel-Bereich mit spektralen Filtereigenschaften, um Störlicht zur Photodiode ebenfalls zu minimieren. Hierzu wird der Anteil von Aluminium in AlGaAs, in dem DBR Spiegel 34 so gewählt, dass Störlicht gegenüber Licht im gewünschten Wellenlängen-Bereich stark gedämpft wird. Die elektrischen Anschlüsse der in Sperr-Richtung betriebenen p-i-n-Photodiode 40 geschieht zum einen über einen Substratkontakt 50 auf der n-leitenden Seite, zum anderen über einen in Vorwärtsrichtung betriebenen p-n- 30 bzw. p-i-n - 40 Heteroübergang auf der p-leitenden Seite 34 der Photodiode. Der intra Cavity n-Kontakt 22, 32, 34 ist gleichzeitig der n-Kontakt 22, 32, 34 der VCSEL p-i-n Diode 24, welche Lichtverstärkend wirkt und den Laserbetrieb u.a. ermöglicht. Der p-Kontakt 12 des VCSEL-Strukturanteils erfolgt über einen Mesa-Kontakt. Der resultierende n-Kontakt in der Gesamtstruktur, bzw. n-Kontakt 22 des VCSEL-Strukturanteils erfolgt entweder in dem großenteils undotierten Halbleitersystems AlGaInP oder in den benachbarten AlAs bzw. AlGaAs Schichten mit eindiffundiertem Metall.
- Die Wärmespreitzschicht 26 aus dem sehr gut wärmeleitenden (Thermal Conductivity AlAs), wie auch sehr reaktiven AlAs (Aluminium-Arsenid) wird dabei nicht der Umgebung direkt ausgesetzt und bleibt unangeätzt. Somit bleibt auch die Wärmeableitfähigkeit erhalten. Die Schichtdicke der Wärmeleitschicht ist vorzugsweise größer 100 nm, besonders bevorzugt größer 150 nm.
- Elektrische Kontakte an Halbleitern werden meist über eine Kombination von „hoch“ dotiertem Halbleiterkristall, welcher durch Epitaxie erzeugt wurde und aufgebrachten / aufgedampften Metallschichten erzeugt. Die Dotierung als auch die Metallschichten müssen entsprechend der Art der Leitfähigkeit als n- oder p- (Elektronen oder Löcher) unterschiedlich behandelt werden (Dotier-Elemente, Metall-Elemente und Schichtdicken).
- Die aktive Zone besitzt einen nominell undotierten Bereich, um Defektkonzentrationen gering und Lebensdauereigenschaften in dieser optisch verstärkenden Zone vorteilhaft zu gestalten. Eine laterale Strukturierung der Dotierung ist bei dem Epitaxie-Prozess nicht möglich.
- Die Innovation ist die Nutzung der undotierten Schichten der aktiven Zone als gemeinsame Kontaktschicht für den n-Kontakt des VCSELs und den p-Kontakt der Photodiode, welche via pn-Diode im DBR in einen n-leitende Kontaktierung gewandelt wird.
- Da durch die Ätzprofile und die elektrisch nichtleitende Oxidationsschicht keine nennenswerte Durchströmung von p-leitenden Ladungsträgern (Löcher-Leitung) in dem lateral weiter Außen liegendem Bereich stattfindet, ist dieser Bereich nicht optisch verstärkend und kann zur Kontaktierung genutzt werden. Hierzu muss via Eindiffusion von Dotierstoffen eine n-Leitfähigkeit bis in die darunterliegenden nominell n-dotierten Schichten erreicht und mit aufgedampften Kontaktschichten abgeschlossen werden. Dies ist schematisch in
1 dargestellt. - Störlicht in der Photodiode, dominierend durch spontane Emission der aktiven Zone im VCSEL Strukturanteil, verändert die Eigenschaft der Photodiode in starken Maßen und muss möglichst gut unterdrückt, bzw. gefiltert werden.
- Hierzu wird das spektrale Absorptionsvermögen von AlGaAs in Abhängigkeit vom Aluminiumanteil verwendet.
- Damit die Photodiode z.B. bei einer vorgegebenen Wellenlänge von 690 nm mit einem Absorptionswert von >10000/cm (Raumtemperatur) arbeitet, wird ein Aluminiumanteil von 27% der Gruppe III Elemente (Gallium und Aluminium) in AlGaAs (Al0.27Ga0.73As) verwendet. Wellenlängen über 690nm werden dann nur noch mit deutlich verminderter Absorption detektiert.
- Für Wellenlängen die kleiner als die im Beispiel genannte Zielwellenlänge von 690 nm sind, werden typischerweise dicke Absorptionsschichten mit höherem Aluminiumgehalt verwendet, für die die Zielwellenlänge von 690 nm und größer weitgehend transparent sind. In diesem Beispiel kann das 31% sein (Al0.31Ga0.69As). Diese mehrere Mikrometer dicken Schichten müssen per Epitaxie ebenfalls gewachsen werden.
- Die eigentliche Neuerung ist die Vermeidung dieser zusätzlichen Schicht, durch die Verwendung eines modifizierten DBR Spiegel-Anteils. In einer ersten Sektion des DBR Spiegels wird der kleinste Aluminiumanteil so gewählt, dass dieser für die Zielwellenlänge weitgehend transparent ist, aber kleinere Wellenlängen stark dämpft. In diesem Beispiel mit einer Zielwellenlänge von 690 nm wäre der Aluminiumanteil dann 31%. Dies führt bei entsprechender Gesamtdicke aller Schichten mit dem genannten Aluminiumanteil zu einer vergleichbaren Absorption bei diesen störenden Lichtwellenlängen.
- Ein weiterer Vorteil ist der damit verbundene Brechungsindex Sprung, welcher die Reflektivität des Spiegels bei gleichzeitig weniger Spiegelpaaren erhöht. Für die DBR Spiegel-Sektion nahe der Aktiven Zone wird aber mit einem höheren minimalen Aluminiumanteil gearbeitet, da die Restabsorption im DBR nahe der optisch verstärkenden aktiven Zone kritisch ist.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- EP 1256151 B1 [0002]
- US 2011/0064110 A1 [0003]
- US 2005/0041714 A1 [0004]
- US 2002/0121647 A1 [0005]
Claims (9)
- Optoelektronisches Bauelement ausgebildet als VCSEL mit einem p-dotierten, oberen, inneren DBR-Gitter (14), einer aktiven Schicht (24) zur Erzeugung einer Strahlung mit einer vorgegebenen Wellenlänge, einer Wärmespreizschicht (24), einem n-dotierten, unteren, inneren DBR-Gitter (32) und einem p-dotierten, äußeren DBR-Gitter (34) wobei die aktive Zone (24) zwischen dem inneren, oberen und unteren DBR-Gitter (14, 32) angeordnet ist, wobei sich zwischen der aktiven Zone (24) und dem unteren, inneren DBR-Gitter (32) die Wärmespreizschicht (26) befindet, wobei das obere DBR-Gitter (14) eine elektrisch nicht leitende Blende (16) aufweist, wobei das äußere DBR-Gitter (34) derart ausgebildet ist, dass Wellenlängen unterhalb der vorgegebenen Wellenlänge gefiltert bzw. absorbiert werden, wobei das äußere DBR-Gitter (34) auch ein Teil einer darunter folgenden pin-Diode (40) ist, die zudem eine absorbierende intrinsischen Schicht (36) und eine n-Schicht (38) aufweist, wobei die DBR-Gitter (14, 32, 34) aus AI(x)Ga(1-x)As gefertigt sind und Schichtfolgen mit periodisch wechselnden Al- und Ga-Anteilen aufweisen, wobei die Al- und Ga-Anteile in Abhängigkeit der vorgegebenen Wellenlänge eingestellt werden, wobei ein minimaler Al-Anteil der inneren DBR-Gitter (14, 32) größer ist als ein minimaler Al-Anteil des äußeren DBR-Gitters (34).
- Optoelektronisches Bauelement nach
Anspruch 1 , bei dem der minimale Al-Anteil der inneren DBR-Gitter größer 45 % und der minimale Al-Anteil des äußeren Gitters kleiner 35 % ist. - Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der minimale Al-Anteil der Schichten vom unteren, inneren DBR-Gitter (32) und des äußeren DBR-Gitters (34) in Richtung der intrinsischen Schicht (36) stetig abnimmt.
- Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmespreizschicht eine Dicke von größer 100 nm aufweist.
- Optoelektronisches Bauelement nach
Anspruch 4 , bei dem die Wärmespreizschicht aus AlAs gefertigt ist. - Optoelektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl der Schichten des inneren, unteren DBR-Gitters (32) größer ist als die Anzahl der Schichten des äußeren DBR-Gitters (34).
- Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche; bei dem Seitenbereiche des oberen DBR-Gitter (14) bis zu der aktiven Schicht durch einen Ätzprozess bis zur Oberseite der aktiven Zone (24) freigelegt werden, wobei im Bereich der vorgesehenen Metallkontakte (22) Dotierstoffe aufgebracht werden, wobei ein thermischer Prozess derart gesteuert wird, dass die Dotierstoffe zumindest die Wärmespreizschicht (26) erreichen und einen n-leitenden Kontakt herstellen.
- Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach
Anspruch 7 ; bei dem die pin-Diode (40) die DBR-Gitter (14, 32, 34), die Wärmespreizschicht (26) und die aktive Zone (24) auf einem n-dotierten GaAs-Substrat (45) aufgebaut werden. - Verfahren zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements nach
Anspruch 7 oder8 , bei dem sich der Diffusionsbereich (23) bis tiefer in den p-dotierte DBR-Bereich (34) fortsetzt und somit eine elektrische Kontaktierung der des p-dotierten DBR-Bereichs (34) über den Metallkontakt (22) erfolgt.
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Patent Citations (4)
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