DE10252574A1 - Optoelektronische Vorrichtung unter Verwendung eines gesperrten Tunnelübergangs zur Strombegrenzung - Google Patents

Optoelektronische Vorrichtung unter Verwendung eines gesperrten Tunnelübergangs zur Strombegrenzung

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DE10252574A1
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Yoon-Kyu Song
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Abstract

Eine optoelektronische Vorrichtung wie ein oberflächenemittierender Laser mit einem vertikalen Resonator umfaßt einen Tunnelübergang, der einen Strom von Löchern leitet, die durch das Tunneln in einen aktiven Bereich gelangen. Das Tunneln in einem ausgewählten Bereich des Tunnelübergangs wird gesperrt, um einen Stromblockierungsbereich zu bilden, der den Strom auf gewünschte Bereiche beschränkt. Das Tunneln kann in dem ausgewählten Bereich unter Verwendung von Techniken ausgewählt werden, die ein Implantieren oder Diffundieren von Dotiermitteln, Zerstören einer Kristallstruktur oder Ätzen, um einen Teil des Tunnelübergangs zu entfernen, umfassen, jedoch nicht auf dieselben beschränkt sind.

Description

  • Optoelektronische Vorrichtungen wie VCSELs (VCSEL = vertical cavity surface emitting laser = oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator) wandeln elektrischen Strom in Licht um, das bei optischen Kommunikationssignalen oder für andere Verwendungszwecke verwendet werden kann. Für eine effiziente Umwandlung, bei der ein Leistungsverbrauch minimiert und ein gewünschtes optisches Feldprofil beibehalten wird, müssen die Ströme in solchen Vorrichtungen allgemein auf spezifische Bereiche begrenzt sein. Folglich weisen solche Vorrichtungen allgemein stromblockierende Strukturen auf, die den Strom auf die gewünschten Bereiche begrenzen. Diese stromblockierenden Strukturen können unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken wie Implantation, Lateraloxidation und Ätzen mit oder ohne anschließendes Wiederaufwachsen gebildet sein. All diese Techniken weisen Schwierigkeiten und Einschränkungen auf.
  • Die Implantation zur Strombegrenzung stützt sich auf ein Beschädigen des Kristallgitters eines Materials in der optoelektronischen Vorrichtung, um das Material nichtleitfähig zu machen. Die Beschaffenheit von Ionenimplantationsprozessen bewirkt eine schlechte Lokalisierung des implantierten Bereichs. Infolgedessen ist die Grenze zwischen einem implantierten Bereich und einem nichtimplantierten Bereich weich, was zu einem Stromfluß durch schwach implantierte Bereiche führt. Zusätzlich kann das Implantat Defekte einführen, die schließlich zu einer Verschlechterung der Vorrichtung führen.
  • Die Lateraloxidation zur Strombegrenzung ist derzeit das bevorzugte Verfahren für Hochleistungs-VCSELs. Die Lateraloxidation kann eine sehr scharfe Stromapertur erreichen, die bei kleinen (< 10 µm) Vorrichtungen zu einer viel höheren Leistung führt als es die Implantation erreichen kann. Typischerweise verändert der Oxidationsprozeß jedoch ein Material mit einer hohen Aluminiumkonzentration in ein Oxid des gleichen Materials und hat daher eine sehr zerstörende Wirkung auf das Kristallgitter. Infolgedessen ist in VCSELs, die eine laterale Oxidation zur Begrenzung verwenden, eine Vorrichtungsverschlechterung zu beobachten, die auf die Oxidation zurückzuführen ist.
  • Optoelektronische Vorrichtungen mit geätzten Merkmalen neigen dazu, eine schlechte Leistung zu liefern, es sei denn, es wird ein aufwendiges und kostspieliges Wiederaufwachsen ausgeführt. Ferner ist bei VCSELs das Wiederaufwachsen bisher nicht möglich gewesen, um die hohe Leistung zu liefern, die bei anderen Halbleiterdiodenlasern vorzufinden ist.
  • Es werden neue Strombegrenzungstechniken gesucht, um die Einschränkungen der bekannten Techniken, die bei optoelektronischen Vorrichtungen verwendet werden, zu überwinden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optoelektronische Vorrichtung mit verbesserter Strombegrenzung und ein Verfahren zur Herstellung derselben zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt eine optoelektronische Halbleitervorrichtung wie ein VCSEL (= oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resontor) einen Tunnelübergang, der in ausgewählten Bereichen unwirksam gemacht worden ist. Der Tunnelübergang kann während des epitaxialen Aufwachsens für die Halbleitervorrichtung erzeugt werden und ist ein Betriebsmerkmal der Halbleitervorrichtung. Wo der Tunnelübergang wirksam ist, verändert er die Hauptträger für den Strom in einem Halbleiter von Elektronen in Löcher. Spezifische Bereiche des Tunnelübergangs werden unwirksam gemacht, um einen Strombegrenzungsbereich zu definieren. Wo der Tunnelübergang nicht wirksam ist, fungiert er als eine in Rückwärtsrichtung vorgespannte Standarddiode und blockiert den Strom. Eine Vielzahl von Mechanismen, die eine Implantation, eine Diffusion, eine durch Verunreinigung induzierte Fehlordnung und ein Ätzen mit Wiederaufwachsen umfassen, kann spezifische Bereiche eines Tunnelübergangs unwirksam machen.
  • Ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine optoelektronische Vorrichtung wie ein VCSEL. Die optoelektronische Vorrichtung umfaßt: einen aktiven Bereich, der typischerweise aus Schichten aus (Al)GaAs besteht, einen Halbleiterbereich des p-Typs, typischerweise eine Schicht aus (Al)GaAs des p-Typs, einen oberen und einen unteren Halbleiterbereich des n-Typs, typischerweise Schichten aus (Al)GaAs des n-Typs, einen Tunnelübergang zwischen den Halbleiterbereichen des p-Typs und des oberen n-Typs und einen Stromblockierungsbereich zwischen dem aktiven Bereich und dem Halbleiterbereich des n-Typs. Der Stromblockierungsbereich arbeitet als ein in Rückwärtsrichtung vorgespannter PN-Übergang und begrenzt einen Strom, der zwischen dem aktiven Bereich und dem Halbleiterbereich fließt, so daß der Strom durch den Tunnelübergang fließt.
  • Der Stomblockierungsbereich kann im wesentlichen die gleiche Struktur wie der Tunnelübergang aufweisen und kann ein Abschnitt des Tunnelübergangs sein, in dem ein Tunneln gesperrt worden ist. Zum Beispiel kann der Stomblockierungsbereich ein Abschnitt des Tunnelübergangs sein, der zusätzliche Dotiermittel enthält, die das Tunneln oder einen Abschnitt des Tunnelübergangs, der eine zerstörte Kristallstruktur aufweist, sperren. Alternativ kann ein Merkmal des Tunnelübergangs weggeätzt sein oder anderweitig aus dem Bereich des Stromblockierungsbereichs entfernt worden sein.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung wie einem VCSEL. Das Herstellungsverfahren beginnt mit dem Bilden eines aktiven Bereichs oder Schicht und eines Halbleiterbereichs- oder Schicht mit einem Tunnelübergang zwischen den beiden. Das Tunneln wird dann in einem ausgewählten Teil des Tunnelübergangs gesperrt, um einen Stromblockierungsbereich zu bilden. Während des Betriebs der optoelektronischen Vorrichtung leitet der Tunnelübergang einen Strom von Löchern, die zwischen dem aktiven Bereich und dem Halbleiterbereich tunneln. Der Stomblockierungsbereich fungiert als ein in Rückwärtsrichtung vorgespannter PN-Übergang, um den Strom zu blockieren.
  • Das Tunneln kann unter Verwendung einer Vielzahl von Techniken gesperrt werden. Solche Techniken umfassen ein Implantieren von Dotiermitteln in den ausgewählten Teil des Tunnelübergangs, ein Diffundieren von Dotiermitteln des n- Typs oder des p-Typs in den ausgewählten Teil des Tunnelübergangs, ein Zerstören der Kristallstruktur in dem ausgewählten Teil des Tunnelübergangs und ein Erzeugen einer Fehlordnung der Struktur des Tunnelübergangs mit Hilfe eines durch Verunreinigung induzierten oder verunreinigungsfreien Fehlordnungsprozeß.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines VCSEL mit einem Kontakt auf der Rückseite des Wafers und einem Tunnelübergang gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines VCSEL, der auf ein Substrat des p-Typs oder nichtleitfähigen Substrat aufgewachsen worden ist, um eine Isolierung der Vorrichtung zu ermöglichen, und der eine Schicht des n-Typs unter der aktiven Schicht und einen Tunnelübergang gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist,
  • Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines VCSEL gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung einer halbplanaren Architektur,
  • Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines VCSEL gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung einer vollplanaren Architektur.
  • Die Verwendung der gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren zeigt ähnliche oder identische Elemente an.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt eine optoelektronische Vorrichtung wie ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resontor einen Tunnelübergang, der in ausgewählten Bereichen unwirksam gemacht worden ist, um den Strom auf einen gewünschten Bereich zu begrenzen, z. B. dorthin, wo der Tunnelübergang wirksam ist.
  • Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines VCSEL 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der VCSEL 100 umfaßt einen unteren Reflektor 110, eine aktive Schicht 120, eine Halbleiterschicht 125 des p-Typs, eine Halbleiterschicht 140 des n-Typs, eine Indexführung 160 und einen oberen Reflektor 170.
  • Der untere Reflektor 110 ist eine stark reflektierende Schicht wie ein DBR (DBR = distributed Bragg reflector - verteilter Bragg-Reflektor), der auf einem darunterliegendem Substrat 180 gebildet sein kann. Allgemein weist der untere Reflektor 110 ein Reflexionsvermögen auf, das so hoch ist, wie es vernünftigerweise erreicht werden kann. Bei dem VCSEL 100, der einen unteren Kontakt 190 aufweist, der nachstehend beschrieben ist, sind der untere Reflektor 110 und das Substrat 180 leitfähig.
  • Der obere Reflektor 170 ist vom unteren Reflektor 110 durch eine Distanz, die die Größe des Laserresonators des VCSEL 100 definiert, vertikal getrennt. Desgleichen kann der obere Reflektor 170 ein DBR sein, weist jedoch ein Reflexionsvermögen und einen Transmissionsgrad auf, die gemäß der Lichtverstärkung in der aktiven Schicht 120 ausgewählt sind. Der obere Reflektor 170 überträgt den Lichtstrahl, der aus dem VCSEL 100 ausgegeben wird.
  • Die aktive Schicht 120 ist aus einem Material wie (Al)GaAs oder InGaAs(N)/(Al)GaAs gefertigt, das induzierte Lichtemissionen ansprechend auf das Licht und eine Rekombination von Elektronen und Löchern im Strom liefert, der durch die aktive Schicht 120 gelangt. Die Schicht 120 ist typischerweise etwa 1.000 bis 10.000 Ångstrom (100-1000 nm) und kann durch herkömmliche Halbleiter- Kristallwachstumstechniken wie MOCVD ( = Metal Organic Chemical Vapor Deposition = metallorganische chemische Bedampfung) oder MBE (= Molecular Beam Epitaxy = Molekularstrahlepitaxie) auf dem unteren Reflektor 110 gebildet sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Schichten 110, 120, 125, 130, 140 und 160 Halbleiterschichten, die auf ein Substrat 180 in einem einzigen Wachstum aufgewachsen worden sind. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel des VCSEL 100 ist die aktive Schicht 120 nicht dotiert.
  • Die Schicht 125 ist p-dotiert, um dabei zu helfen, die relativ große Sperrspannung über dem gesperrten Abschnitt des Tunnelübergangs zu unterstützen, und um dabei zu helfen, die Löcher zu dem aktiven Bereich mit einem niedrigen Widerstand zu transportieren. Die Dotierung und Dicke der Schicht 125 betrüge allgemein das Minimum, das zum Erreichen dieser Ziele erforderlich ist, um einen optischen Verlust, der einer Dotierung des p-Typs zugeordnet ist, und um eine unnötige laterale Ausbreitung der Löcher, die vom wirksamen Abschnitt des Tunnelübergangs injiziert werden, zu verhindern. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte die Schicht 125 in die stark dotierte p-Typ-Hälfte des Tunnelübergangs 130 integriert sein.
  • Desgleichen enthält die n-Typ-Schicht 140 ein Halbleitermaterial wie GaAs, das typischerweise 1.000 bis 5.000 Ängstrom dick ist, jedoch eine n-Typ-Dotierung aufweist.
  • Ein Tunnelübergang 130 befindet sich an der Schnittstelle zwischen den Schichten 125 und 140. Der Tunnelübergang 130 umfaßt eine schwach dotierte p++-Schicht (nicht gezeigt) neben der p-Typ-Schicht 125 und eine schwach dotierte n++- Schicht (nicht gezeigt) neben der n-Typ-Schicht 140. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die dünne p++-Schicht etwa 200 Ångstrom oder weniger dick und weist eine Dotierunskonzentration von etwa 1 × 1019 bis 1 × 1020 cm-3 auf. Die dünne n++-Schicht ist in ähnlicher Weise etwa 200 Ångstrom oder weniger dick und weist eine Dotierungskonzentration von etwa 1 bis 5 × 1019 cm-3 auf.
  • Der Tunnelübergang 130 kann gebildet werden, indem zuerst die aktive Schicht 120 und die p-Typ-Schicht 125 aufgebracht werden, die Wachstumsumgebung verändert wird, um die dünne Schicht mit der eigenleitenden p++-Dotierung aufzubringen, die Wachstumsumgebung erneut verändert wird, um die dünne Schicht mit der intrinsischen n++-Dotierung aufzubringen, und schließlich eine n-Typ-Schicht 140 aufgebracht wird.
  • Der Tunnelübergang erfordert außergewöhnlich hohe Dotierungspegel, was häufig erfordert, daß sich die Wachstumsbedingungen für die Tunnelübergangsschichten von den Wachstumsbedingungen für den aktiven Bereich 120 und die umgebenden Schichten 125 und 140 unterscheiden. Neben dem Hinzufügen hoher Flußmittel der Art eines Dotiermittels auf die Wachstumskammer können auch andere Wachstumsbedingungen verändert werden, um das Einbauen der Dotiermittel in das Halbleitermaterial zu verbessern. Zum Beispiel kann beim MOCVD-Wachstum ein Senken der Substrattemperatur und ein Verringern des Verhältnisses der Flußrate der Trägergase des Elements der Gruppe V (typischerweise As oder P) zur Flußrate der Trägergase der Gruppe III (typischerweise In, Ga oder Al) das Einbauen von Kohlenstoff, einem Dotiermittel des p-Typs, verbessern und sehr hohe Dotierpegel ermöglichen, die für ein effizientes Tunneln erforderlich sind. Beim MBE könnte die Wachstumsrate gesenkt werden, um ein höheres Verhältnis des Flußmittels der Dotiermittelatomen zum Flußmittel der Basismaterialatome zu ermöglichen. Die spezifischen Bedingungen, die zum Erreichen extrem hoher Dotierpegel erforderlich sind, variieren mit dem speziellen Halbleiter, der dotiert wird, dem verwendeten Wachstumsverfahren, dem Typ des Dotiermittels und selbst des speziellen Modells oder der Marke der Wachstumskammer.
  • Während des Betriebs ist eine n-Typ-Schicht 140 über eine ringförmige Elektrode 150 positiv vorgespannt, und eine aktive Schicht 120 ist über eine Elektrodenstruktur 190 auf der hinteren Oberfläche der Vorrichtung 100 negativ vorgespannt. Die Vorspannung, die typischerweise etwa 2 Volt für einen herkömmlichen VCSEL beträgt, liefert eine Rückwärtsspannung für einen herkömmlichen NP-Übergang. Der Tunnelübergang 130 leitet jedoch einen Strom, der aus einem Quantumtunneln von Elektronen aus der p++-Schicht des Tunnelübergangs 130 zur n++-Schicht des Tunnelübergangs 130 entsteht, wodurch ein entsprechender Elektronenstrom in einer n-Typ-Schicht 140 und ein Löcherstrom in einer aktiven Schicht 120 erzeugt wird.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung begrenzt ein stromblockierender Bereich 135, der in dem Tunnelübergang 130 gebildet ist, den Strom auf einen Abschnitt des aktiven Bereichs 120 unter der Indexführung 160. Wenn das Tunneln gesperrt ist, arbeitet der Stomblockierungsbereich 135 als ein gewöhnlicher in Rückwärtsrichtung vorgespannter PN-Übergang, um den Stromfluß außerhalb des gewünschten Bereichs der aktiven Schicht 120 zu verhindern. Folglich emittiert eine Rekombination von Elektronen und Löchern aus dem Tunnelstrom durch den Tunnelübergang 130 Licht in den LaserResontor.
  • Der Blockierbereich 135 kann durch einen beliebigen Mechanismus gebildet sein, der das Tunneln durch den Tunnelübergang 130 unterbricht. Eine Möglichkeit, das Tunneln zu unterbrechen ist, Dotiermittel mit einer Dosis, die ausreicht, um das Tunneln unwirksam zu machen, selektiv zu implantieren. Die Implantation kann durch eine n-Typ- Schicht 140 ausgeführt werden und verhindert daher die Notwendigkeit, einen Wafer zu entfernen und an eine Abscheidungskammer zwischen der Bildung der Schichten 120 und 140 zurückzugeben. Die Implantation stört das Tunneln, indem das Dotierprofil der ausgewählten Bereiche verändert wird und/oder das Kristallgitter zerstört wird.
  • Ein Vorteil dieses Lösungsansatz gegenüber einer stromblockierenden implantierten Standardvorrichtung ist, daß eine kleine Dosis verwendet werden kann, weil das Implantat nur das Tunneln unterbrechen muß und nicht das Material unleitfähig machen muß. Zusätzlich muß dieses Implantat nur den dünnen Tunnelübergangsbereich beeinträchtigen und kann daher mit einem Einzelenergieimplantieren ausgeführt werden. Dies steht im Gegensatz zu einem herkömmlichen Implantierungs-begrenzten VCSEL, bei dem die Ionenimplantation den Halbleiter mehrere Mikronen tief nichtleitfähig machen muß.
  • Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wäre für einen Tunnelübergang, der sich 3.000 Ångstrom unterhalb der Oberfläche befindet, ein Beryllium-Implantat von 100 keV mit einer Dosis von nur etwa 1 × 1011/cm2 ausreichend, um die Dotiermittel auf der n-Typ-Seite des Tunnelübergangs auf einen ausreichenden Grad zu kompensieren, um den Tunnelstrom praktisch zu eliminieren. Die kleinere Dosis verursacht einen geringeren Schaden, was zu weniger Defekten führt, die die Zuverlässigkeit der Vorrichtung beeinträchtigen können. Wenn in einem durch Verunreinigung induzierten Fehlordnungsprozeß, der nachstehend beschrieben ist, anschließend ein Ausheilen verwendet wird, könnte sogar eine noch geringere Implantierungsdosis verwendet werden.
  • Der Tunnelübergang trägt dazu bei, die Stromdichte zu normalisieren oder zu verteilen, so daß sich weniger Strom benachbart zum Implantat ansammelt. Da die VCSEL- Zuverlässigkeit typischerweise exponentiell von der Stromdichte abhängig ist, kann die Verringerung der Spitzenstromdichte die Zuverlässigkeit der Vorrichtung aufgrund der Stromnormalisierung weiter verbessern. Ein weiterer Vorteil des Stromnormalisierungseffekts ist ein erweiterter Bereich des Einzelraummodebetriebs (single spatial mode operation) für VCSELs. Eine höhere Strominjektion nahe der Kante der Begrenzungsöffnung erzeugt häufig bei herkömmlichen VCSELs ein räumlich nichteinheitliches Verstärkungsprofil, das den Betrieb von mehreren Transversalraummodi höherer Ordnung unterstützt. Das Erreichen eines räumlich einheitlichen Verstärkungsprofils würde den Bereich der Ströme erhöhen, für die der fundamentale Lateralmodus die Laserwirkung dominiert. Diese Einzelmodusoperation kann bei Kommunikationsanwendungen eine äußerst wichtige Eigenschaft für VCSELs sein.
  • Die Fehlordnung kann auch einen Tunnelübergang 130 im Blockierungsbereich 135 unwirksam machen. Die Fehlordnung macht die Übergänge zwischen den leicht und stark dotierten Bereichen weniger abrupt und verhindert dadurch einen beträchtlichen Tunnelstrom. Wenn die Fehlordnung verunreinigungsbasiert ist, beschleunigt das Hinzufügen von Verunreinigungen, die typischerweise über die Implantierung eingebracht worden sind, die Diffusion zwischen den Tunnelübergangsschichten. Ein Glühprozeß von einer Zeitdauer und Temperatur, die ausreichen, um eine leichte Diffusion der Tunnelübergangsschichten zu bewirken, wo die Verunreinigungen implantiert wurden, jedoch andere Bereiche relativ unverändert belassen, erfolgt normalerweise im Anschluß an die Verunreinigungsimplantierung. Die räumliche Strukturierung des Implantatierens von Verunreinigungen wie mit einer Maske kann Öffnungen von einem wirksamen Tunnelübergang definieren.
  • Die verunreinigungsfreie Fehlordnung kann für äußerst geringe Schäden verwendet werden. Bei einem verunreinigungsfreien Fehlordnungsprozeß werden vielmehr Gitterleerstellen und keine Verunreinigungen in den Halbleiter eingeführt, um den Diffusionsprozeß zu beschleunigen. Dies wird häufig erreicht, indem eine Siliziumoxidabdeckung auf der Oberfläche des Halbleiters plaziert wird. Die Abdeckung absorbiert vorzugsweise die Atome aus dem Halbleiter, wodurch Gitterleerstellen hinterlassen werden. Diese Leerstellen diffundieren sich schnell selbst und verbessern auch in hohem Maße die Diffusion der Halbleiteratome. Wenn die Siliziumoxidabdeckung oder eine andere Leerstellenquelle räumlich strukturiert ist, dann könnte ein Glühprozeß ähnlich dem vorstehend beschriebenen verwendet werden, um zu diffundieren und so die Tunnelstromwirkung eines Tunnelübergangs in einer räumlich selektiven Weise zu zerstören.
  • Typische Möglichkeiten zum räumlichen Strukturieren einer Abdeckung sind ein strukturierte Entfernen der Abdeckung, wodurch eine strukturierte Blockierschicht wie eine Siliziumnitridschicht zwischen der Abdeckung und dem Tunnelübergang gebildet wird, oder ein Variieren der Distanz zwischen der Abdeckung und dem Tunnelübergang durch Ätzen des Halbleiters wird. Die Verwendung einer Abdeckung, um Leerstellen zu induzieren, weist den Vorteil auf, daß kein massiver Kristallschaden, der der Ionenimplantierung zugeordnet ist, verursacht wird, und die elektrische Leitfähigkeit der Schichten nahe der Oberfläche erhalten bleibt. Diese Vorteile würden ein verbessertes Vorrichtungsverhalten und eine verbesserte Vorrichtungszuverlässigkeit ergeben.
  • Ein weiteres Verfahren zum Sperren des Tunnelübergangs 130 in ausgewählten Bereichen ist das Maskieren und Ätzen aller oder eines Teils des Tunnelübergangs 130 vor dem Bilden der n-Typ-Schicht 140. Nach dem strukturierten Ätzen wird ein Wafer, der die Vorrichtung, die hergestellt wird, enthält, zur Aufbringungskammer zur Bildung der n-Typ-Schicht 140 zurückgebracht, die die Elektroden 150 und die Indexführungsschicht 160 kontaktiert. Bei dieser Technik entspricht der Stromblockierungsbereich dem nicht vorhandenen Tunnelübergang 130 oder dem n++-Teil des Tunnelübergangs 130. Die n-Typ-Schicht 140 und entweder die p-Typ-Schicht 125 oder der p++-Teil des Tunnelübergangs 130 bilden einen in Rückwärtsrichtung vorgespannten Tunnelübergang.
  • Nach dem Bilden des Stromblockierungsbereichs 135 wird die Vorrichtung 100 in einer herkömmlichen Weise fertiggestellt. Speziell ist die Schicht 160 strukturiert und geätzt, um eine Indexführung zu bilden, eine oder mehrere Metallschichten werden gebildet und strukturiert, um die Vorspannungselektrode 150 für die n-Typ-Schicht 140 und eine Vorspannungselektrode 190 für die aktive Schicht 120 herzustellen. Die Schichten, die den oberen Reflektor 170 bilden, werden auf die Indexführung 160 aufgebracht und strukturiert, um den Zugriff auf die Metallkontakte zu ermöglichen.
  • Ein Tunnelübergang mit gesperrten Bereichen zur Strombegrenzung kann bei VCSELs mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Architekturen verwendet werden. Einige der Architekturkategorien, die von größtem Interesse sind, sind jene, die einen geringen parasitären Widerstand und eine Kapazität für einen hohen Bandbreitenbetrieb erreichen. Das Verringern eines Übersprechens zwischen den Vorrichtungen ist ebenfalls von Bedeutung, insbesondere für Parallelarrays von Vorrichtungen bzw. Bauelementen mit einer hohen Bandbreite. Obgleich das Einführen des Tunnelübergangs in die Struktur das Ersetzen von p-Typ-Material mit geringer Leitfähigkeit durch n-Typ-Material mit hoher Leitfähigkeit für einen verringerten parasitären Widerstand ermöglicht, können gegensätzlich vorgespannte Schichten eine starke kapazitive Kopplung durch den Stromblockierungsbereich 135 aufweisen.
  • Fig. 2 stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem ein VCSEL 200 eine leitfähigen-Typ-Schicht 220 aufweist, die unter der aktiven Schicht 120 liegt, während ein unterer Spiegel 210 und ein Substrat 280 nichtleitfähig sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein unterer Kontakt 290 zur Vorrichtung von der Oberseite durch Ätzen hergestellt, das eine n-Typ-Schicht 220 freilegt. Das Ätzen für den unteren Kontakt schränkt den Bereich ein, wo sich die Schichten 140 und 120 in naher Nachbarschaft befinden, wodurch eine entsprechende Abnahme der Kapazität bewirkt wird. Ein Isolationsgraben 230 wird dann durch die untere leitfähige Schicht 220 geätzt, um einen beliebigen leitfähigen Weg zwischen den Vorrichtungen zu eliminieren und daher das elektrische Nebensprechen praktisch zu eliminieren.
  • Planare Architekturen sind bei der Herstellung von VCSELs häufig von Interesse, weil planare oder nahezu planare Oberflächen leichter zu strukturieren und zu beschichten sind als Oberflächen mit tiefen Gräben oder großen Säulen. Fig. 3 zeigt einen VCSEL 300 mit einer halbplanaren Architektur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ähnlich wie der VCSEL 200 weist der VCSEL 300 eine Vorspannungselektrode 290 für den aktiven Bereich 120 auf der oberen Oberfläche des VCSEL 300 und in Kontakt mit der leitfähigen Schicht 220 auf. Ein weiteres Merkmal des VCSEL 300 ist ein Vollisolationsimplantat 330, das unter einem Abschnitt der n-Typ-Schicht 140 und der Elektrode 150 liegt. Dieses Isolationsimplantat ersetzt den Isolationsgraben 230 im VCSEL 200 und bringt die nichtleitfähigen Schichten 125, 120 und 122 zu dem nichtleitfähigen Spiegel 210 hinunter. Neben dem Bereitstellen der Vorrichtungsisolation in planarer Weise ermöglicht der VCSEL 300, daß sich das Isolationsimplantat 330 unterhalb der n-Typ-Schicht 140 und dem Kontakt 150 erstrecken kann, und reduziert ferner eine parasitäre Kapazität unterhalb der Reduktionen, die der VCSEL 200 erreicht.
  • Fig. 4 zeigt einen VCSEL 400 mit einer vollplanaren Architektur. Dieses Ausführungsbeispiel ähnelt dem VCSEL 300, außer daß ein Implantierungs- oder Diffusionsprozeß durch den Blockierbereich 135 und die Schichten 125 und 120 die elektrische Verbindung zur Schicht 220 bildet. Ein n-Typ- Implantat oder eine lange Kontaktlegierung, die einen n- Typ-Bereich 420 zwischen einer Metallvorspannungselektrode 490 und einer n-Typ-Schicht 220 bilden, könnten dies umsetzen. Die Vorspannungselektrode 190 auf dem n-Typ-Bereich 120 stellt daher eine elektrische Verbindung mit der aktiven Schicht 120 über den Bereich 420 und die Schicht 220 her. Bei dieser Implementierung muß nur die obere n-Typ- Schicht 140 geätzt sein, um den Bereich 420 von der Schicht 140 zu isolieren, wodurch nur eine extrem flache Stufe auf der Waferoberfläche bleibt.
  • Aspekte der Erfindung, die vorstehend beschrieben sind, können bei einer Anzahl von optoelektronischen Vorrichtungen verwendet werden, sind aber besonders für VCSELs geeignet. Für VCSELs ermöglicht der Tunnelübergang eine Verringerung der Menge des p-Typ-Materials, das im Laserhohlraum erforderlich ist. Das p-Typ-Material weist allgemein eine geringere Leitfähigkeit und eine viel höhere optische Verluste als das n-Typ-Material auf. Folglich kann das Austauschen des p-Typ-Materials gegen ein n-Typ-Material die Betriebsspannung und den Widerstand der Vorrichtung senken, während die erforderliche Schwellenverstärkung ebenfalls verringert wird. Eine untere Schwellenverstärkung führt zu einer höheren Differentialverstärkung, was die Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Vorrichtungen verbessert.

Claims (19)

1. Optoelektronische Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist:
einen aktiven Bereich (120);
einen Halbleiterbereich (140); einen Tunnelübergang (130) zwischen dem aktiven Bereich und dem Halbleiterbereich; und
einen Stromblockierungsbereich (135) zwischen dem aktiven Bereich und dem Halbleiterbereich, wobei der Stomblockierungsbereich als ein in Sperrrichtung vorgespannter PN-Übergang arbeitet und einen Strom zwischen dem aktiven Bereich und dem Halbleiterbereich auf den Strom durch den Tunnelübergang begrenzt.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Stomblockierungsbereich (135) einen Abschnitt des Tunnelübergangs (130) aufweist, in dem ein Tunneln gesperrt worden ist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Stomblockierungsbereich (135) einen Abschnitt des Tunnelübergangs (130) aufweist, der ein zusätzliches Implantat enthält, das das Tunneln sperrt.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Stomblockierungsbereich einen Abschnitt des Tunnelübergangs (130) aufweist, der zusätzliche Dotiermittel enthält, die das Tunneln sperren.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Stomblockierungsbereich einen Abschnitt des Tunnelübergangs aufweist, der eine gestörte Kristallstruktur aufweist.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der:
der Tunnelübergang (130) einen stark dotierten p-Typ- Bereich und einen stark dotierten n-Typ-Bereich zwischen dem aktiven Bereich und dem Halbleiterbereich aufweist; und
der Stomblockierungsbereich (135) eine Struktur aufweist, die mit der des Tunnelübergangs (130) identisch ist, außer daß zumindest entweder der stark dotierte p-Typ-Bereich oder der stark dotierte n-Typ-Bereich im Stromblockierungsbereich (135) fehlt.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Stomblockierungsbereich (135) einen Abschnitt des Tunnelübergangs (130) aufweist, der teilweise diffundiert worden ist.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Stomblockierungsbereich (135) einen Abschnitt des Tunnelübergangs (130) aufweist, der durch einen durch eine verunreinigungsinduziertes Fehlordnung teilweise diffundiert worden ist.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der Stomblockierungsbereich (135) einen Abschnitt des Tunnelübergangs (130) aufweist, der durch eine verunreinigungsfreie Fehlordnung teilweise diffundiert worden ist.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die optoelektronische Vorrichtung ein oberflächenemittierender Laser mit einem vertikalen Resonator ist.
11. Verfahren zum Herstellen einer optoelektronischen Vorrichtung, das folgende Schritte aufweist:
Bilden eines aktiven Bereichs (120) und eines Halbleiterbereichs (140) mit einem Tunnelübergang (130) zwischen dem aktiven Bereich und dem Halbleiterbereich; und
Sperren eines Tunneln in einem ausgewählten Teil des Tunnelübergangs (130), um einen Stromblockierungsbereich (135) zu bilden, wobei, während des Betriebs der optoelektronischen Vorrichtung, der Tunnelübergang (130) einen Strom zwischen dem aktiven Bereich und dem Halbleiterbereich leitet und der Stomblockierungsbereich als ein in Rückwärtsrichtung vorgespannter PN- Übergang fungiert, um einen Strom zu blockieren.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem das Sperren des Tunnelns eine Ionenimplantierung in dem ausgewählten Teil (135) des Tunnelübergangs (130) aufweist.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die implantierte Spezies n-Typ-Dotiermittel aufweist.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die implantierte Spezies p-Typ-Dotiermittel aufweist.
15. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die implantierte Spezies Ionen aufweist, die die Leitfähigkeit des Materials, in das sie implantiert werden, verringert.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem das Sperren des Tunnelns ein Zerstören der Kristallstruktur in dem ausgewählten Teil des Tunnelübergangs (130) aufweist.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem das Sperren eines Tunnelns ein teilweises Diffundieren des Tunnelübergangs (130) über eine verunreinigungsinduzierte Fehlordnung aufweist.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem das Sperren des Tunnelns ein teilweises Diffundieren des Tunnelübergangs (130) über eine verunreinigungsfreie Fehlordnung aufweist.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, bei dem die optoelektronische Vorrichtung ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator ist.
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