DE112021002126T5

DE112021002126T5 - VCSEL mit erhöhter Wellenlängenabhängigkeit von Ansteuerungsstrom

Info

Publication number: DE112021002126T5
Application number: DE112021002126.5T
Authority: DE
Inventors: Ulrich Weichmann; Holger Joachim Mönch
Original assignee: Trumpf Photonic Components GmbH
Current assignee: Trumpf Photonic Components GmbH
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2023-03-09
Also published as: WO2021198345A1; EP3890127A1; CN115428281A; US20230020718A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Oberflächenemitter (VCSEL) (10), der einen optischen Resonator (20) mit einem ersten Bragg-Spiegel (12), einem zweiten Bragg-Spiegel (16) und einem aktiven Gebiet (14) zur Laseremission, das zwischen dem ersten Bragg-Spiegel (12) und dem zweiten Bragg-Spiegel (16) angeordnet ist, umfasst. Der VCSEL (10) umfasst eine elektrische Kontaktanordnung (32, 34), die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Ansteuerungsstrom bereitzustellen, um den optischen Resonator (20) elektrisch zu pumpen. Eine zusätzliche Verlustschicht (18), die in dem optischen Resonator (20) angeordnet ist, stellt optische und/oder elektrische Verluste bereit. Diese zusätzlichen Verluste erhöhen die Wellenlängenverschiebung des VCSEL (10), wobei die Wellenlängenverschiebung ein wichtiger Parameter für Sensoranwendungen ist, die auf Eigenmischungsinterferenz angewiesen sind. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen optischen Sensor, der einen solchen VCSEL umfasst, und ein Fertigungsverfahren für diesen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Oberflächenemitter (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser - Vertikalkavitätsoberflächenemissionslaser) mit einer erhöhten Wellenlängenabhängigkeit von dem Ansteuerungsstrom. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen optischen Sensor, der einen solchen VCSEL umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Fertigen eines solchen VCSEL.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wenn der epitaktische Schichtstapel für effiziente und zuverlässige VCSELs gestaltet wird, versucht man immer, die optischen und elektrischen Verluste zu reduzieren und die Wärmeabfuhr von der aktiven Schicht zu erhöhen. Optische Verluste sind nahe der aktiven Schicht von besonderer Bedeutung, da die optische Intensität und entsprechend die optische Absorption nahe der aktiven Schicht am höchsten sind. Außerdem ist ein hoher elektrischer Widerstand nahe der aktiven Schicht unerwünscht, da die elektrischen Verluste nahe der aktiven Schicht die Temperatur der aktiven Schicht erhöhen und die Effizienz des VCSEL und vermutlich sogar die Lebensdauer reduzieren.
Es gibt eine typische Wellenlängenverschiebung, wenn ein VCSEL mit unterschiedlichen Strömen betrieben wird. Die Wellenlängenverschiebung als eine Funktion des Ansteuerungsstroms ist ein wichtiger Parameter für Sensoranwendungen, die auf eine Eigenmischungsinterferenz angewiesen sind, wobei heutzutage typischerweise VCSELs mit integrierten Fotodioden (ViP) verwendet werden. Die Wellenlängenverschiebung ist typischerweise größer für VCSELs mit kleinen aktiven Durchmessern einer Laseremission, so dass Sensoranwendungen, die eine hohe Wellenlängenverschiebung anstreben, typischerweise VCSELs mit sehr kleinen aktiven Durchmessern, herab bis zu nur 1 oder 2 µm, verwenden. Ein aufkommendes Problem besteht darin, dass für den gleichen Laseransteuerungsstrom ein VCSEL mit einem sehr kleinen aktiven Durchmesser mit viel höheren Stromdichten angesteuert wird, was eine Zuverlässigkeit reduzieren könnte.
US 2014/0023380 A1 offenbart einen VCSEL, der ein Kavitätserweiterungsgebiet umfasst, das zwischen einem der Reflektoren und dem aktiven Gebiet gebildet ist, welches eine optisch Filmdicke größer als eine Oszillationswellenlänge aufweist und welches eine Schicht zum Bewirken eines optischen Verlust an wenigstens einem Knoten einer stehenden Welle einer ausgewählten Longitudinalmode beinhaltet.
US 2019/0173263 A1 offenbart einen VCSEL mit einer laminierten Struktur, wobei wenigstens zwei Lichtabsorptionsmaterialschichten parallel zu einer virtuellen Ebene gebildet sind, die durch die aktive Schicht belegt wird.
US 2016/0064899 A1 offenbart einen VCSEL mit einem ersten und zweiten Halbleitermehrschichtreflektor, einem Kavitätsgebiet zwischen den Mehrschichtreflektoren und einer säulenartigen Struktur, die sich von einem der Reflektoren zu dem Kavitätsgebiet erstreckt, und eine Stromeingrenzungsschicht, die innerhalb der säulenartigen Struktur gebildet ist, wobei das Kavitätsgebiet ein aktives Gebiet und ein Kavitätserweiterungsgebiet beinhaltet, das zwischen dem aktiven Gebiet und einem der Mehrschichtreflektoren liegt.
US 2007/0041414 A1 offenbart einen VCSEL, der wenigstens eine Absorptionsschicht in seinem Laserresonator enthält, wobei die Absorptionsschicht die Transmission der Laserstrahlung in dem Laserresonator zum Zweck des Verringerns der Empfindlichkeit des Lasers gegenüber Störungen, die durch eine Strahlungsrückkopplung in den Laserresonator erzeugt werden, reduziert. Dies reduziert Fluktuationen der Ausgabeleistung aufgrund von rückgekoppelter Strahlung.
Xuefei Tang et al. beschreiben in „Observation of Bistability in GaAs Quantum-Well Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers“, IEEE Journal of Quantum Electronics, IEEE Service Center, Piscataway, NJ, USA, Bd. 33, Nr. 6, 1. Juni 1997, Emissionsspektren von VCSELs bei unterschiedlichen Ansteuerungsströmen, wobei sich die Emissionsspektren mit zunehmendem Strom zu längeren Wellenlängenverschieben.
US 5 745 515 A offenbart einen VCSEL mit einer Zunehmende-Absorption-Schicht innerhalb eines der Spiegel des Lasers. Die Zunehmende-Absorption-Schicht zeigt einen zunehmenden Absorptionskoeffizienten als Reaktion auf einen zunehmenden Strom durch den Laser durch Erhöhen der Temperatur oder der Ladungsträgerkonzentration der Schicht auf, um zu verhindern, dass die Ausgabeleistung von dem Laser einen vorausgewählten Betrag für die Augensicherheit überschreitet.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten VCSEL bereitzustellen, der eine erhöhte Wellenlängenabhängigkeit von dem Ansteuerungsstrom für einen festen aktiven Durchmesser des VCSEL bereitstellt. Ferner ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren zum Fertigen eines solchen VCSEL bereitzustellen und einen optischen Sensor bereitzustellen, der einen solchen VCSEL umfasst.
Bei einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein VCSEL präsentiert, der Folgendes umfasst:

einen optischen Resonator mit einem ersten Reflektor, einem zweiten Reflektor und einem aktiven Gebiet zur Laseremission, das zwischen dem ersten Reflektor und dem zweiten Reflektor angeordnet ist; und
eine elektrische Kontaktanordnung, die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Ansteuerungsstrom bereitzustellen, um den optischen Resonator elektrisch zu pumpen,
wobei der optische Resonator ferner eine Verlustschicht umfasst, die optische und/oder elektrische Verluste bereitstellt, um eine Wellenlängenverschiebung der Laseremission zu erhöhen, wenn der Ansteuerungsstrom variiert wird, wobei, falls die Verlustschicht eine optische Verlustschicht ist, die optischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, höher als die Summe der optischen Verluste in den verbleibenden Gebieten des optischen Resonators sind, und wobei, falls die Verlustschicht eine elektrische Verlustschicht ist, die elektrischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, um einen Faktor von wenigstens 5 höher als die elektrischen Verluste in den verbleibenden Gebieten des optischen Resonators sind, wobei die verbleibenden Gebiete das aktive Gebiet nicht beinhalten.

Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein entsprechendes Verfahren zum Fertigen eines solchen VCSEL präsentiert, das die folgenden Schritte umfasst:

Bereitstellen eines optischen Resonators; und
elektrisches Kontaktieren des optischen Resonators zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuerungsstroms, um den optischen Resonator (20) elektrisch zu pumpen,
wobei der Schritt des Bereitstellens eines optischen Resonators die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines ersten Reflektors,
- Bereitstellen eines aktiven Gebiets zur Laseremission, und
- Bereitstellen eines zweiten Reflektors,
- Bereitstellen einer Verlustschicht, die optische und/oder elektrische Verluste bereitstellt, um eine Wellenlängenverschiebung der Laseremission zu erhöhen, wenn der Ansteuerungsstrom variiert wird, wobei, falls die Verlustschicht eine optische Verlustschicht ist, optische Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, höher als die Summe der optischen Verluste in den verbleibenden Gebieten des optischen Resonators sind, und wobei, falls die Verlustschicht eine elektrische Verlustschicht ist, die elektrischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, um einen Faktor von wenigstens 5 höher als in den verbleibenden Gebieten des optischen Resonators sind, wobei die verbleibenden Gebiete das aktive Gebiet nicht beinhalten.

Bei noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Sensor bereitgestellt, der einen solchen VCSEL umfasst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Es versteht sich, dass das beanspruchte Verfahren sowie der beanspruchte optische Sensor ähnliche und/oder identische bevorzugte Ausführungsformen wie der beanspruchte VCSEL aufweisen, insbesondere wie in den abhängigen Ansprüchen definiert und wie hier offenbart.
Viele Sensoranwendungen unter Verwendung von VCSELs sind heutzutage auf eine Wellenlängenverschiebung der Emissionswellenlänge des VCSEL angewiesen. Eine erhöhte Wellenlängenverschiebung ermöglicht z. B. viel genauere Sensormessungen, die auf Eigenmischungsinterferenz angewiesen sind. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Reduzieren des aktiven Durchmessers eines VCSEL zu einer gewünschten Wellenlängenverschiebung führt, aber auch zu einigen Nachteilen führt, wie etwa einer reduzierten Betriebszuverlässigkeit des VCSEL.
Die vorliegende Erfindung stellt dementsprechend eine völlig andere Lösung bereit, um die Wellenlängenabhängigkeit von dem Ansteuerungsstrom zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung stellt eine erhöhte Wellenlängenabhängigkeit von dem Ansteuerungsstrom bereit, die nicht von dem aktiven Durchmesser des VCSEL abhängt. Die Erfindung basiert auf dem überraschenden Effekt, dass eine Verlustschicht, die absichtlich in dem optischen Resonator des VCSEL bereitgestellt ist und die optische und/oder elektrische zusätzliche Verluste jenseits der üblichen oder gewöhnlichen Verluste in einem VCSEL bereitstellt, zu einer erhöhten Wellenlängenverschiebung eines VCSEL für eine gleiche Ansteuerungsstromvariation im Vergleich zu einem VCSEL mit dem gleichen aktiven Durchmesser, aber ohne eine solche Verlustschicht, führt. Die optischen und/oder elektrischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, können die optischen und/oder elektrischen Verluste in den verbleibenden Teilen oder Gebieten in dem optischen Resonator überschreiten. Im Fall elektrischer Verluste können die durch die Verlustschicht eingeführten Verluste die elektrischen Verluste um einen Faktor von wenigstens 5, z. B. um einen Faktor von mehr als 10, überschreiten, wobei das aktive Gebiet in diesem Vergleich nicht enthalten ist. Im Fall optischer Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, können die optischen Verluste höher als die optischen Verluste in den verbleibenden Gebieten des optischen Gebiets sein, wobei das aktive Gebiet in diesem Vergleich nicht enthalten ist. Die optischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, können um wenigstens einen Faktor von 2; 5; 10; oder sogar 100 oder mehr als 100 höher sein. Die optischen und/oder elektrischen zusätzlichen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, überschreiten sogar die Summe aller anderen Verluste in dem optischen Resonator, wobei das aktive Gebiet in diesem Vergleich nicht enthalten ist.
Der VCSEL umfasst bevorzugt ferner ein Fotodiodengebiet, das in den Resonator integriert ist, z. B. in einen der Reflektoren, und wobei die optischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, höher als in dem Fotodiodengebiet sind. Die Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, überschreiten sogar die Summe aller anderen Verluste in dem optischen Resonator einschließlich des Fotodiodengebiets, wenn das aktive Gebiet in diesem Vergleich nicht enthalten ist. Die Verlustschicht kann sowohl optische als auch elektrische Verluste einführen, d. h. die Verlustschicht kann die Funktion einer optischen Verlustschicht sowie einer elektrischen Verlustschicht aufweisen.
Die Verluste, die durch die Verlustschicht geführt werden, können im Fall einer optischen Verlustschicht durch die Differenz des Flusses optischer Leistung bei Betrachtung senkrecht zu der Verlustschicht am Anfang und am Ende der Verlustschicht, dividiert durch die Dicke der Verlustschicht (hier auch als optische Verluste pro Schichtdicke bezeichnet) charakterisiert werden. Im Fall einer elektrischen Verlustschicht können die elektrischen Verluste, die durch die elektrische Verlustschicht eingeführt werden, durch die elektrische Stromdichte in der Verlustschicht multipliziert mit dem Spannungsabfall über die Verlustschicht und dividiert durch die Dicke der Verlustschicht (hier auch als elektrische Verluste pro Schichtdicke bezeichnet) charakterisiert werden.
Die Verlustschicht ist dazu implementiert, als eine lokale Wärmequelle innerhalb des Resonators des VCSEL zu agieren, die die Temperatur des VCSEL lokal erhöht, was zu einer erhöhten Wellenlängenverschiebung einer Laseremission führt, wenn der Ansteuerungsstrom variiert wird. Die intrinsischen optischen und/oder elektrischen Verluste des VCSEL werden dementsprechend absichtlich erhöht. Mit anderen Worten ist die Verlustschicht eine Schicht, die absichtlich nicht für die Reduzierung optischer oder elektrischer Verluste optimiert ist. Diese Überlegungen sind kontraintuitiv zu dem, was typischerweise auf dem Gebiet von VCSELs beabsichtigt wird, nämlich der Reduzierung elektrischer und optischer Verluste. Der VCSEL gemäß der Erfindung kann mehrere Verlustschichten aufweisen.
Der erste Reflektor und der zweite Reflektor des VCSEL können z. B. allgemein bekannte Bragg-Spiegel (DBRs: Distributed Bragg Reflectors) sein. Nachfolgend können die Ausdrücke erster DBR und zweiter DBR dementsprechend alternativ für den ersten und zweiten Reflektor des VCSEL verwendet werden. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf einen VCSEL mit DBRs beschränkt ist. Die Reflektoren können auch andere geeignete Reflektoren/Spiegel, wie in der Technik bekannt, sein, wie etwa dielektrische Spiegel.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verlustschicht zwischen dem aktiven Gebiet und dem ersten Reflektor oder zwischen dem aktiven Gebiet und dem zweiten Reflektor angeordnet sein oder kann eine erste Schicht des ersten Reflektors oder eine erste Schicht des zweiten Reflektors sein, wobei die erste Schicht dem aktiven Gebiet zugewandt ist. In dem Kontext kann die Verlustschicht entweder auf der n-Seite oder auf der p-Seite des aktiven Gebiets angeordnet sein. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung einer Verlustschicht beschränkt ist, die wie zuvor beschrieben angeordnet ist. Es kann auch eine Möglichkeit sein, zwei oder mehr Verlustschichten, z. B. eine unterhalb des aktiven Gebiets und eine andere oberhalb des aktiven Gebiets, bereitzustellen. Dies kann die optischen und/oder elektrischen Verluste weiter erhöhen und zu einer verbesserten Wellenlängenverschiebung bei der gleichen Ansteuerungsstromvariation führen. Trotzdem muss ein Kompromiss gefunden werden, da Verluste auch die Effizienz der Vorrichtung und wahrscheinlich sogar die Lebensdauer reduzieren können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Verlustschicht in Kontakt mit dem aktiven Gebiet angeordnet sein. Dies ist von besonderem Interesse, falls die Verlustschicht optische Verluste bereitstellt, d. h., falls die Verlustschicht einen großen optischen Absorptionskoeffizienten in dem Wellenlängenbereich aufweist, in dem der VCSEL arbeitet. Falls die Verlustschicht direkt unterhalb oder direkt oberhalb des aktiven Gebiets angeordnet ist, kann eine effiziente Absorption der Strahlungsintensität erzielt werden. Dies führt zu einer Temperaturzunahme, die wiederum die Emissionswellenlängenabhängigkeit von einem Laserstrom entsprechend erhöht.
Bevorzugt kann die Verlustschicht dementsprechend ein Material mit einer fundamentalen Absorption bei der Emissionswellenlänge des VCSEL umfassen. Der VCSEL arbeitet bevorzugt in dem sichtbaren oder nahinfraroten optischen Bereich. Daher kann die Verlustschicht GaAs oder Al_xGa_1-xAs umfassen, wobei x in einem Bereich von 0 bis 0,1 liegt. GaAs absorbiert z. B. stark bei einer Wellenlänge von 850 nm, bei der der VCSEL seine Emissionswellenlänge haben kann. In diesem Zusammenhang oder in dem Zusammenhang anderer Ausführungsformen, bei denen elektrische zusätzliche Verluste durch die Verlustschicht eingeführt werden, liegt die Dicke der Verlustschicht bevorzugt in einem Bereich von 5 und 30 nm. Auch hier muss ein Kompromiss gefunden werden. Die Dicke muss groß genug sein, um ausreichende elektrische und/oder optische Verluste bereitzustellen, aber die Dicke darf nicht zu groß sein, da dies zu einer kritischen Temperaturzunahme führen kann, die die Zuverlässigkeit und wahrscheinlich sogar die Lebensdauer des VCSEL reduziert.
Die Verlustschicht kann ferner eine Dotierung umfassen, die höher als die Dotierung des ersten oder zweiten Reflektors ist. Falls der erste Reflektor und der zweite Reflektor des VCSEL jeweils DBRs mit mehreren DBR-Schichten sind, kann die Verlustschicht eine Dotierung größer als die Dotierung der DBR-Schichten umfassen.
Gemäß der Ausführungsform ist die Dotierung bevorzugt größer als 5·10¹¹ cm^-3, kann aber von der Wahl des Materials der Verlustschicht abhängen.
Wie zuvor bereits erklärt wurde, stellt das Anordnen der Verlustschicht nahe der aktiven Schicht Vorteile bereit. Die Verlustschicht kann jedoch auch entweder an einem Wellenbauch oder an einem Knoten eines Stehende-Welle-Musters des VCSEL angeordnet werden. Die Anordnung an einem Wellenbaucheines Stehende-Welle-Musters des VCSEL wird insbesondere bevorzugt, falls die Verlustschicht optische Verluste bereitstellt, d. h., falls der optische Absorptionskoeffizient groß ist. Eine stehende Welle ist eine Welle, die zeitlich oszilliert, aber deren Spitzenamplitudenprofil sich nicht im Raum bewegt. Falls die Verlustschicht an einem Wellenbauch des Stehende-Welle-Musters angeordnet ist, ist die Amplitude (oder Intensität) der optischen stehenden Welle maximal. Hier ist die optische Absorption für diese Anordnung groß, da sich viel der optischen Intensität in der Absorptionsverlustschicht befindet. Alternativ dazu kann es auch eine Option sein, die Verlustschicht an einem Knoten des Stehende-Welle-Musters anzuordnen, wo die Absorption geringer ist. Dies könnte eine Möglichkeit sein, falls das Material der Verlustschicht bereits eine große intrinsische Absorption bei der Emissionswellenlänge des VCSEL umfasst, um den VCSEL nicht zu sehr zu erwärmen.
Alternativ zu der hohen Dotierung der Verlustschichtschicht, die zuvor beschrieben wurde, kann die Verlustschicht auch eine Dotierung aufweisen, die niedriger als die Dotierung der Reflektoren ist. Falls der erste Reflektor und der zweite Reflektor des VCSEL jeweils DBRs mit mehreren DBR-Schichten sind, kann die Verlustschicht eine Dotierung kleiner als die Dotierung der DBR-Schichten umfassen. Gemäß der Ausführungsform ist die Dotierung bevorzugt kleiner als 1 · 10¹⁸ cm^-3. Die Verlustschicht kann sogar undotiert sein. In diesem Fall wird die optische Absorption reduziert, aber der elektrische Widerstand und dementsprechend elektrische Verluste nehmen zu und führen zu einer stärkeren Abhängigkeit der Laserwellenlänge von dem Laserstrom über ohmsche Erwärmung. Wieder könnte eine solche Schicht auf beiden Seiten (n- oder p-Seite) des aktiven Gebiets platziert werden.
Für eine solche schwach dotierte oder undotierte Verlustschicht, die einen großen elektrischen Widerstand bereitstellt, wird es jedoch bevorzugt, falls sie nahe einer Stromeingrenzungsschicht angeordnet wird, wo die Stromdichte am höchsten ist. Eine solche Stromeingrenzungsschicht ist in der Technik wohlbekannt und bildet typischerweise eine Apertur, wo der Strompfad eingegrenzt wird. Die Stromeingrenzungsschicht kann als eine Oxidapertur konfiguriert sein. Es ist auch eine Möglichkeit, die Verlustschicht selbst als die Stromeingrenzungsschicht zu konfigurieren. In diesem Fall kann die Verlustschicht mit einer Dotierung unterhalb von 1 · 10¹⁸ cm^-3 bereitgestellt werden, was für allgemein bekannte VCSELs untypisch ist.
Abgesehen von den zuvor genannten Ausführungsformen der Verlustschicht ist es auch eine Möglichkeit, eine Heteroschicht als Verlustschicht bereitzustellen. Diese Heteroschicht ist bevorzugt aus wenigstens einer ersten Schicht mit einem hohen, ersten Brechungsindex und einer zweiten Schicht mit einem niedrigen, zweiten Brechungsindex gebildet und der Übergang zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht ist stufenartig. Dies ist verschieden von typischen Übergängen zwischen Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex, die in der Technik bekannt sind, bei denen der Übergang typischerweise gradiert sowie modulationsdotiert ist, um die Transversalleitfähigkeit zu erhöhen. Ein stufenartiger Übergang zwischen einer ersten Schicht mit z. B. einem kleinen Brechungsindex und einer zweiten Schicht mit z. B. einem großen Brechungsindex verringert die Transversalleitfähigkeit und erhöht dementsprechend den Widerstand. Aus diesem Grund ist eine solche Heteroschicht eine geeignete Wahl für die Verlustschicht, um elektrische zusätzliche Verluste bereitzustellen.
Der VCSEL umfasst bevorzugt eine integrierte Fotodiode, wie zuvor angegeben. Die Fotodiode kann in den optischen Resonator integriert sein (Intrakavitätsfotodiode). Der VCSEL kann ein Substrat umfassen, auf das der Schichtstapel des VCSEL mit integrierter Fotodiode aufgewachsen ist. Das Substrat kann entfernt werden, nachdem der VCSEL produziert wurde.
Der VCSEL kann ein Oberseitenemitter oder ein Unterseitenemitter sein.
Es versteht sich, dass eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung auch eine beliebige Kombination der abhängigen Ansprüche mit dem jeweiligen unabhängigen Anspruch sein kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind nachfolgend definiert.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme auf diese unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Figurenliste
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme auf diese erläutert. In den folgenden Zeichnungen gilt:

1 zeigt eine prinzipielle Skizze eines wie in der Technik bekannten VCSEL;
2 zeigt ein Diagramm, das ein typisches Verhalten des Wärmewiderstands in Abhängigkeit von dem aktiven Durchmesser eines wie in der Technik bekannten VCSEL veranschaulicht;
3 zeigt ein Diagramm, das das typisches Verhalten des Temperaturunterschieds in Abhängigkeit von dem aktiven Durchmesser für unterschiedliche Dotierungen eines wie in der Technik bekannten VCSEL veranschaulicht;
4 zeigt eine prinzipielle Skizze eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt eine prinzipielle Skizze einer weiteren Ausführungsform eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer integrierten Fotodiode;
6 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Verlustschicht eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt ein Diagramm, das einen Temperaturunterschied in Abhängigkeit von dem aktiven Durchmesser für unterschiedliche Dotierungen eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
8 zeigt ein Histogramm, das den Vorwärtsspannungsunterschied für die unterschiedlichen VCSEL-Dotierungen, wie in 7 gezeigt, veranschaulicht;
9 zeigt ein Histogramm, das die relative Schwellenverstärkungszunahme für unterschiedliche VCSEL-Dotierungen, wie in 7 gezeigt, veranschaulicht;
10 zeigt ein Diagramm, das eine Simulation optischer Verluste, die durch eine Verlustschicht eingeführt werden, im Vergleich zu optischen Verlusten veranschaulicht, die durch verbleibende Teile eines beispielhaften VCSEL bereitgestellt werden;
11 zeigt ein Diagramm, das eine Simulation elektrischer Verluste, die durch eine Verlustschicht eingeführt werden, im Vergleich zu optischen Verlusten veranschaulicht, die durch verbleibende Teile eines beispielhaften VCSEL bereitgestellt werden;
12 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Fertigen eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung; und
13 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Verfahrensschritt aus 12 ausführlich veranschaulicht; und
14 zeigt ein Flussdiagramm, das einen alternativen Verfahrensschritt aus 12 ausführlich veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine prinzipielle Skizze eines wie in der Technik bekannten VCSEL 110. Der VCSEL 110 umfasst einen ersten Reflektor 112, ein aktives Gebiet 114 zur Laserlichtemission und einen zweiten Reflektor 116. Der erste Reflektor und der zweite Reflektor des VCSEL 110 können z. B. allgemein bekannte Bragg-Spiegel (DBRs) sein. Nachfolgend kann der Ausdruck erster DBR und zweiter DBR dementsprechend alternativ zu für den ersten und zweiten Reflektor 112, 114 des VCSEL 110 verwendet werden. Das aktive Gebiet 114 ist zwischen dem ersten DBR und dem zweiten DBR 112, 116 angeordnet. Der erste DBR 112, das aktive Gebiete 114 und der zweite DBR 116 bilden einen optischen Resonator 120, der ferner eine Stromeingrenzungsschicht 124 umfasst, die typischerweise nahe dem aktiven Gebiet 114 angeordnet ist, um der Stromverteilung der optischen Mode des VCSEL 110 zu entsprechen. Die Stromeingrenzungsschicht 124 grenzt einen Strom auf einen vordefinierten aktiven Bereich mit einem aktiven Durchmesser 150 ein. Im Allgemeinen ist die Wellenlängenverschiebung des VCSEL 110, falls der Ansteuerungsstrom geändert wird, umso größer, je kleiner dieser aktive Durchmesser 150 ist.
Der zweite DBR 116, das aktive Gebiet 114 und der erste DBR 112 können epitaktisch auf einem Substrat 122 aufgewachsen werden. Die Schichten des ersten und zweiten DBR 112, 116 können zum Beispiel dotiertes AlGaAs umfassen.
Falls der VCSEL 110 ein Oberseitenemitter ist, kann der erste DBR 112 teilweise transmittierend für die Laserstrahlung sein, die in dem aktiven Gebiet 114 erzeugt wird. Das Laserlicht wird durch den VCSEL 110 emittiert, wie durch einen Pfeil 100 veranschaulicht ist. Der erste DBR 112 kann ein Reflexionsvermögen aufweisen, das niedriger als das Reflexionsvermögen des zweiten DBR 116 im Fall eines Oberseitenemitters ist. Es versteht sich, dass der VCSEL 110 auch als ein Unterseitenemitter konfiguriert sein kann, d. h. Laserlicht kann auf der Substratseite des VCSEL 110 emittiert werden, wobei dann das Reflexionsvermögen des ersten DBR 112 höher als das Reflexionsvermögen des zweiten DBR 116 ist. Das Substrat 122 kann entfernt werden.
Der VCSEL 110, wie in 1 gezeigt, umfasst ferner eine elektrische Kontaktanordnung 132, 134, die einen ersten Kontakt 132 auf dem ersten DBR 112, einen zweiten Kontakt 134 auf der Unterseite des Substrats 122 umfasst. Diese elektrische Kontaktanordnung 132, 134 ist dazu eingerichtet, einen elektrischen Ansteuerungsstrom bereitzustellen, um den optischen Resonator 20 elektrisch zu pumpen.
Für VCSELs, wie in 1 gezeigt, ist es bekannt, dass eine typische Wellenlängenverschiebung auftritt, wenn der VCSEL mit unterschiedlichen Strömen betrieben wird. Diese Wellenlängenverschiebung ist zum Beispiel ein wichtiger Parameter für Sensoranwendungen, die auf Eigenmischungsinterferenz angewiesen sind. Die Wellenlängenverschiebung ist typischerweise größer für VCSELs mit kleinen aktiven Durchmessern (vergleiche aktiver Durchmesser 150 in 1), so dass Sensoranwendungen, die eine hohe Wellenlängenverschiebung anstreben, typischerweise VCSELs mit sehr kleinen aktiven Durchmessern verwenden. Dieser Trend wird aus der nachfolgenden 2 ersichtlich.
2 zeigt ein Diagramm, das ein typisches Verhalten des Wärmewiderstands in Abhängigkeit von dem aktiven Durchmesser 150 eines wie in der Technik bekannten VCSEL veranschaulicht. Es wird ersichtlich, dass der Wärmewiderstand R_th umso größer ist, je kleiner der aktive Durchmesser 150 ist. Ferner verweist ein großer Wärmewiderstand R_th auf eine große Temperaturverschiebung, wie nachfolgend erklärt wird.
Die Laseremissionswellenlänge eines VCSEL wird hauptsächlich durch die VCSEL-Temperatur T_j bestimmt und die VCSEL-Temperatur ist durch die Kühlkörpertemperatur T_HS, den Wärmewiderstand R_th und die dissipierte Leistung P_diss gegeben: $T_{j} = T_{H S} + R_{t h} \cdot P_{d i s s}$
Die dissipierte Leistung ist die Differenz zwischen elektrischer Eingabeleistung P_el und optischer Ausgabeleistung P_opt: $P_{d i s s} = P_{e l} - P_{o p t}$
Die elektrische Eingabeleistung hängt von der Knickspannung U_k, dem differentiellen Widerstand R_diff und dem Laserstrom I ab: $P_{e l} = (U_{k} + R_{d i f f} \cdot I) \cdot I$
Die optische Ausgabeleistung hängt von der Steigungseffizienz η_sl und dem Schwellenstrom I_th ab: $P_{o p t} = η_{s l} \cdot (I - I_{t h})$
Basierend auf der Schichtstruktur ist es möglich, die Parameter η_sl, I_th, U_k und R_diff für einen gegebenen aktiven Durchmesser 150 eines VCSEL zu berechnen, und diese Parameter werden verwendet, um den Temperaturunterschied, den der VCSEL erfährt, durch beispielhaftes Erhöhen des Stroms von 1,5 mA auf 2,5 mA für unterschiedliche Durchmesser zu berechnen: $Δ T_{j,2,5 - 1,5} = R_{t h} \cdot (P_{d i s s} (2,5 m A) - P_{d i s s} (1,5 m A))$
Daher führt ein großer Wärmewiderstand R_th (der zu einem kleineren Durchmesser 150 gehört, wie in 2 gezeigt) zu einem größeren Temperaturunterschied/einer größeren Temperaturverschiebung. Diese Temperaturverschiebung führt wiederum zu einer Wellenlängenverschiebung. Aus diesem Grund verwenden Sensoranwendungen, die eine hohe Wellenlängenverschiebung anstreben, wie etwa Sensoranwendungen, die auf Eigenmischungsinterferenz angewiesen sind, typischerweise VCSELs mit sehr kleinen aktiven Durchmessern 150, herab bis zu nur 1 oder 2 µm.
3 zeigt ein Diagramm, das das typisches Verhalten des Temperaturunterschieds ΔT_j,2,5-1,5 in Abhängigkeit von dem aktiven Durchmesser 150 für unterschiedliche Dotierungen eines wie in der Technik bekannten VCSEL veranschaulicht. Die obere Kurve („Basislinie“) in 3 gehört zu einem Referenz-VCSEL mit einer Referenzdotierung des n-DBR und des p-DBR. Der VCSEL kann wie in 1 gezeigt gestaltet sein.
Die anderen Kurven gehören zu VCSELs, bei denen die n-Dotierung oder p-Dotierung der DBRs im Vergleich zu dem Referenz-VCSEL geändert oder modifiziert ist. Diese Kurven veranschaulichen zum Beispiel einen VCSEL, bei dem die n-Dotierung oder p-Dotierung um einen Faktor von 1,4 oder um einen Faktor von 2 größer als die Dotierung des Referenz-VCSEL ist.
Es wird aus dem in 3 gezeigten Diagramm ersichtlich, dass Erhöhen des Dotierungsniveaus die Kurven zu niedrigeren Temperaturdifferenzen ΔT_j,2,5-1,5 verschiebt. Daher scheint nur Modifizieren der Dotierung eines VCSEL kein versprechender Aspekt für eine große Verschiebung der Emissionswellenlänge eines VCSEL zu sein.
2 und 3 veranschaulichen, dass anscheinend nur der Aspekt des Verringerns des aktiven Durchmessers eines VCSEL, wie in 2 gezeigt, verbleibt, um eine hohe Wellenlängenverschiebung zu erhalten, aber dies führt zu höheren Stromdichten, was vermutlich die Zuverlässigkeit des VCSEL reduziert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch dazu in der Lage, diese Nachteile zu überwinden, und stellt einen zuverlässigen VCSEL bereit, der eine große Wellenlängenverschiebung basierend auf einem völlig anderen Prinzip bereitstellt, wie unter Bezugnahme auf die anschließenden Figuren erklärt ist.
4 zeigt eine prinzipielle Skizze eines VCSEL 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der VCSEL 10 umfasst einen ersten Reflektor 12, der als ein DBR (der aus mehreren ersten DBR-Schichten 12a besteht) konfiguriert sein kann, ein aktives Gebiet 14 zur Laserlichtemission und einen zweiten Reflektor 16, der als ein DBR (der aus mehreren zweiten DBR-Schichten 16a besteht) konfiguriert sein kann. In der folgenden Beschreibung kann der Ausdruck eines ersten DBR und eines zweiten DBR dementsprechend alternativ für den ersten und zweiten Reflektor 112, 114 des VCSEL 110 verwendet werden. Das aktive Gebiet 14 ist zwischen dem ersten und zweiten Reflektor 12, 16 angeordnet. Im Unterschied zu in der Technik bekannten VCSELs (z. B. VCSEL 110, der in 1 gezeigt ist) umfasst das VCSEL 10 aus 4 eine Verlustschicht 18, die optische und/oder elektrische zusätzliche Verluste bereitstellt, wie zuvor beschrieben und wie nachfolgend weiter beschrieben wird. Der erste Reflektor 12, das aktive Gebiet 14, die Verlustschicht 18 und der zweite Reflektor 16 bilden einen optischen Resonator 20, der ferner eine Stromeingrenzungsschicht 24 mit einem aktiven Durchmesser 5 umfasst.
Der VCSEL 10, wie in 4 gezeigt, umfasst eine elektrische Kontaktanordnung 32, 34, die einen ersten Kontakt 32 auf dem ersten DBR 12, einen zweiten Kontakt 34 auf der Unterseite des Substrats 22 umfasst. Diese elektrische Kontaktanordnung 32, 34 ist dazu eingerichtet, einen elektrischen Ansteuerungsstrom bereitzustellen, um den optischen Resonator 20 elektrisch zu pumpen.
Die Schichtstapel des zweiten DBR 16, der Verlustschicht 18, des aktiven Gebiets 14 und des ersten DBR 12 können epitaktisch auf einem Substrat 22 aufgewachsen werden. Es versteht sich, dass die Anordnung der Verlustschicht 18 in 4 nicht beschränkt ist. Jedoch ist die Verlustschicht 18 bevorzugt zwischen dem aktiven Gebiet 14 und dem ersten DBR 12 oder zwischen dem aktiven Gebiet 14 und dem zweiten DBR 16 angeordnet. Hier kann die Verlustschicht 18 in Kontakt mit dem aktiven Gebiet 14 angeordnet sein. Die durch die Verlustschicht 18 bereitgestellten Verluste können zum Beispiel optische Verluste sein, wobei eine optische Absorption z. B. durch die Wahl der Materialzusammensetzung der Verlustschicht 18 und der umgebenden anderen Schichten erzielt wird. Ein VCSEL mit einer Emissionswellenlänge von etwa 850 nm kann zum Beispiel eine 5-30 nm dünne GaAs-Verlustschicht 18 nahe der aktiven Schicht 14 (wie in 4 gezeigt) verwenden, die entweder auf der n- oder auf der p-Seite der aktiven Schicht 12 angeordnet ist. Ferner werden Einzelheiten über die Wahl des Materials der Verlustschicht 18 nachfolgend unter Bezugnahme auf 7-9 erklärt.
Bei einer Wellenlänge von 850 nm weist GaAs eine starke Absorption auf und bewirkt einen großen Verlust und entsprechend eine große zusätzliche Erwärmung des VCSEL 10. Außerdem sind, wenn der Strom des Lasers erhöht wird, mehr Photonen in der Kavität vorhanden, werden absorbiert und erhöhen daher die Wärme, die nahe der aktiven Schicht 14 erzeugt wird. Dies wird wiederum zu einer erhöhten Wellenlängenabhängigkeit von dem Laser(ansteuerungs)-Strom im Vergleich zu allgemein bekannten VCSELs (wie z. B. in 1 gezeigt) führen, die keine solche Verlustschicht 18 aufweisen. Durch Wählen unterschiedlicher Materialien und Dicken der Verlustschicht 18 kann der Absorptionskoeffizient abgestimmt werden und kann die Wellenlängenverschiebung für einen gewünschten aktiven Durchmesser 5 optimiert werden. Eine weitere Option zum Abstimmen der optischen Verluste ist die Platzierung dieser stark absorbierenden Verlustschicht 18 in einem Stehende-Welle-Muster des VCSEL 10. In Abhängigkeit davon, ob die Verlustschicht 18 an einem Knoten oder Wellenbauch des optischen Intensitätsmuster platziert ist, wird es mehr oder weniger Absorption und entsprechend Erwärmung in der Struktur geben. Dies führt zu einer größeren Verschiebung der Wellenlänge für eine gegebene Laserstromvariation, wie bereits unter Bezugnahme auf 2 erklärt wurde.
Eine weitere Option zum Realisieren der hohen optischen Absorption ist das Verwenden einer stark dotierten Verlustschicht 18 in der Nähe der aktiven Schicht 14. Obwohl die Absorption in diesem Fall aufgrund einer Absorption freier Ladungsträger anstelle einer Absorption innerhalb der Bandkante des Halbleiters ist, gelten die gleichen Überlegungen wie für die optischen Absorptionen aufgrund der Materialzusammensetzung. Wieder kann eine Platzierung dieser Schicht sowohl auf der p- als auch auf der n-Seite der aktiven Schicht 14 sein und bevorzugt beträgt das elektrisch aktive Dotierungsniveau für diese Schicht mehr als 5 · 10¹⁸ cm^-3.
Eine weitere Option zum Realisieren der erhöhten Wellenlängenverschiebung des VCSEL 10 ist das Erhöhen elektrischer Verluste aufgrund der Verlustschicht 18. Dies kann durch Implementieren einer schwach dotierten oder sogar undotierten Verlustschicht 18 nahe dem aktiven Gebiet 14 erfolgen. In diesem Fall wird die optische Absorption reduziert, aber der elektrische Widerstand nimmt zu und führt zu einer stärkeren Abhängigkeit der Wellenlänge der Laseremission des VCSEL 10 von dem Laserstrom über ohmsche Erwärmung. Wieder kann eine solche Verlustschicht 18 auf beiden Seiten des aktiven Gebiets 14 platziert werden.
Außerdem ist es eine Möglichkeit, die Verlustschicht 18 nahe der Stromeingrenzungsschicht 24 zu platzieren, wo die Stromdichte am höchsten ist. Dies ist beispielhaft in 5 veranschaulicht. Es ist auch eine Möglichkeit, die Verlustschicht 18 selbst als die Stromeingrenzungsschicht zu konfigurieren, die die Stromapertur bereitstellt, die z. B. als eine Oxidapertur konfiguriert ist. In diesem Fall kann die Verlustschicht mit einer Dotierung unterhalb von 1 · 10¹⁸ cm^-3 bereitgestellt werden. Eine zusätzliche Eingrenzungsschicht ist bei einer solchen Ausführungsform nicht erforderlich.
5 zeigt eine prinzipielle Skizze einer weiteren Ausführungsform eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer integrierten Fotodiode 50. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Fotodiode 50 in dem optischen Resonator 20 integriert und umfasst der VCSEL 10 ferner einen weiteren elektrischen Kontakt 40 zum Kontaktieren der Fotodiode 50. Eine Integration der Fotodiode 50 in den zweiten DBR 16, wie in 5 gezeigt, kann wie folgt erreicht werden. Der zweite DBR 16 kann aus drei Bereichen bestehen, beginnend zum Beispiel unterhalb der aktiven Schicht 14 mit n-dotierten Schichten, wechselnd zu p-dotierten Schichten 52, gefolgt von einer intrinsischen Absorptionsschicht 54 der Fotodiode 50, die um einen Wellenbauch des Stehende-Welle-Musters herum platziert ist, um eine maximale Verantwortung und einen maximalen Kontrast einer stimulierten Emission gegenüber einer spontanen Emission des VCSEL 10 zu erhalten. Die p-i-n-Struktur der Fotodiode 50 wird durch weitere n-dotierte Schichten 56 abgeschlossen.
Ein solcher VCSEL 10 mit einer integrierten Fotodiode (ViP) wird heutzutage typischerweise für Sensoranwendungen verwendet, die auf Eigenmischungsinterferenz angewiesen sind. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, die Fertigungsgestaltung (wie etwa die epitaktische Gestaltung) eines VCSELs derart zu modifizieren, dass eine Verlustschicht 18 mit zusätzlichen oder extra Verlusten in enge Nähe zu der aktiven Schicht 14 gebracht wird, um die Wellenlängenverschiebung des VCSEL 10 zu erhöhen. In Kombination mit einer integrierten Fotodiode 50, wie in 5 gezeigt, ist eine solche Gestaltung eines VCSEL 10 für viele Sensoranwendungen basierend auf Eigenmischungsinterferenz wohlgeeignet.
6 zeigt ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Verlustschicht 18 eines VCSEL 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Verlustschicht 18 kann eine Heteroschicht sein, die wenigstens zwei unterschiedliche Schichten 18A, 18B umfasst. Diese Heteroschicht weist eine niedrige Transversalleitfähigkeit in einer z-Richtung (Richtung des epitaktischen Wachstums) auf und kann nahe dem aktiven Gebiet 14 platziert werden (vergleiche 4 und 5). Das Realisieren eines Übergangs als eine Stufe zwischen einem Material mit niedrigem (n₁) Brechungsindex und einem Material mit hohem Brechungsindex (n₂) erzeugt eine Barriere für Elektronentransport und erhöht den elektrischen Widerstand in der Verlustschicht 18. Dies ist verschieden von üblicherweise verwendeten Übergängen zwischen Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex, bei denen der Übergang typischerweise gradiert sowie modulationsdotiert ist, um die Transversalleitfähigkeit zu erhöhen und einen Widerstand zu reduzieren. Hier erhöht der stufenartige Übergang zwischen den zwei Schichten 18A, 18B von einem niedrigen (n₁) zu einem hohen Brechungsindex (n₂) (vergleiche auch das Diagramm auf der rechten Seite aus 6) den elektrischen Widerstand und der Effekt wird eine erhöhte Wellenlängenverschiebung für den VCSEL 10 sein.
7 zeigt ein Diagramm, das das typisches Verhalten des Temperaturunterschieds ΔT_j,2,5-1,5 in Abhängigkeit von dem aktiven Durchmesser 5 für unterschiedliche Dotierungen eines VCSEL 10 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Kurve, die durch quadratische Symbole gebildet ist („Basislinie“), verweist auf einen Referenz-VCSEL, der keine Verlustschicht 18 aufweist. Die anderen Kurven gehören zu VCSELs mit einer zusätzlichen Verlustschicht 18 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Verlustschicht 18 ist beispielhaft in dem n-DBR angeordnet und weist eine Dicke auf, die von 1 nm bis 37 nm für die unterschiedlichen Kurven reicht. Das Material dieser Verlustschicht 18 ist entweder GaAs oder Al_0,1Ga_0,9As.
Es ist in dem Diagramm aus 7 zu sehen, dass die Implementierung einer 5-nm-GaAs-Verlustschicht 18 eine starke Wirkung auf den Temperaturunterschied ΔT_j,2,5-1,5 hat. Eine starke Bandkatenabsorption, die durch die 5-nm-GaAs-Schicht verursacht wird, erhöht die optischen Verluste und daher ΔT_j,2,5-1,5. Daher kann das Implementieren einer solchen 5-nm-GaAs-Schicht ein interessanter Kandidat für einen verbesserten VCSEL mit erhöhter Wellenlängenverschiebung sein.
Die Graustufenkarte zeigt jedoch, dass der Widerstand und dementsprechend auch die Vorwärtsspannung für die 5-nm-GaAs-Schicht stark zunimmt. Dies wird aus dem in der folgenden 8 gezeigten Histogramm noch klarer.
8 zeigt ein Histogramm, das den Vorwärtsspannungsunterschied für die unterschiedlichen VCSEL-Dotierungen, wie in 7 gezeigt und wie unter Bezugnahme auf diese erklärt, veranschaulicht. Für jede Dotierung ist der Vorwärtsspannungsunterschied ferner für eine nichtexistierende Ladungsträgerdiffusion sowie für eine Ladungsträgerdiffusion von 1,2 µm gezeigt. Eine dünne GaAs-Schicht mit einer Dicke von 5 nm, die sich in dem nDBR befindet, führt zu einer Spannungszunahme, während sämtliche anderen Schichten eine Spannungsreduzierung zeigen. Daher kann eine niedrigere Vorwärtsspannung durch unterschiedliche Arten von Verlustschichten erhalten werden, wie etwa Al_xGa_1-xAs-Schichten, wobei x in einem Bereich von 0 bis 0,1 liegt.
9 zeigt ein Histogramm, das die relative Schwellenverstärkungszunahme für unterschiedliche VCSEL-Dotierungen, wie in 7 gezeigt, veranschaulicht. Für jede Dotierung ist der Vorwärtsspannungsunterschied wieder ferner für eine nichtexistierende Ladungsträgerdiffusion sowie für eine Ladungsträgerdiffusion von 1,2 µm gezeigt. Es ist zu sehen, dass die unterschiedlichen Verlustschichten einen unterschiedlichen Einfluss auf die relative Schwellenverstärkung haben, die für eine 37-nm-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht z. B. bis zu 60 % größer ist. Daher ist diese Art von Verlustschicht nicht geeignet, da die Auswirkung des Implementierens einer solchen Verlustschicht auf die Schwellenverstärkung zu groß ist. Anderseits stellt eine 5-nm-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht die gewünschte Vorwärtsspannungsreduzierung, wie in 8 gezeigt, bereit und führt nur zu einer relativen Schwellenverstärkungszunahme von einigen Prozent. Daher ist der zu zahlende Preis im Vergleich zu der beachtlichen Reduzierung der Vorwärtsspannung eher gering. Aus diesem Grund ist eine 5-nm-Al_0,1Ga_0,9As-Schicht zum Beispiel ein möglicher Kandidat für die Verlustschicht 18, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
10 zeigt ein Diagramm einer Simulation, das einen Vergleich optischer Verluste in einer Standardstruktur eines VCSEL ohne optische Verlustschicht mit optischen Verlusten mit einer Struktur eines VCSEL gemäß der Erfindung mit optischer Verlustschicht gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht. Die optischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, können durch den Unterschied des Flusses optischer Leistung am Anfang und am Ende der Verlustschicht (bei Betrachtung senkrecht zu der Verlustschicht), dividiert durch die Dicke der Verlustschicht, charakterisiert werden. Diese eingeführten Verluste werden mit den entsprechenden optischen Verlusten in den verbleibenden Gebieten des optischen Resonators außer dem aktiven Gebiet verglichen. An der Position, an der die Verlustschicht in der Struktur des VCSEL gemäß der Erfindung angeordnet ist, ist ein gewisses Material natürlich in der Standardstruktur vorhanden, so dass es natürliche optische Verluste an dieser Position in der Standardstruktur geben wird, und daher wird dieses Material hier als optische Verlustschicht`, wie bei dem VCSEL gemäß der Erfindung, bezeichnet. Jedoch sind, wie in 10 zu sehen ist, die optischen Verluste, die durch die „natürliche‟ optische Verlustschicht der Standardstruktur bereitgestellt werden, viel niedriger als die akkumulierten Verluste pro Schichtdicke in den verbleibenden Teilen des VCSEL, die wenigstens den optischen Resonator beinhalten, wobei das aktive Gebiet in diesem Vergleich nicht enthalten ist. Im Gegensatz dazu sind die optischen Verluste pro Schichtdicke, die durch die absichtlich bereitgestellte optische Verlustschicht der Struktur eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, um einen Faktor von mehr als hundert höher als die akkumulierten optischen Verluste in den verbleibenden Teilen oder Gebieten des VCSEL. Dies gilt selbst dann, falls die verbleibenden Teile oder Gebiete eine integrierte Fotodiode beinhalten.
11 zeigt ein Diagramm einer Simulation, das einen Vergleich elektrischer Verluste pro Schichtdicke in einer Standardstruktur eines VCSEL ohne elektrische Verlustschicht mit elektrischen Verlusten pro Schichtdicke mit einer Struktur eines VCSEL gemäß der Erfindung mit elektrischer Verlustschicht gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht. Die elektrischen Verluste, die durch die elektrische Verlustschicht eingeführt werden, können durch die elektrische Stromdichte in der Verlustschicht multipliziert mit dem Spannungsabfall über die Verlustschicht und dividiert durch die Dicke der Verlustschicht (Elektrische Verluste pro Schichtdicke) charakterisiert werden. An der Position, an der die Verlustschicht in der Struktur des VCSEL gemäß der Erfindung angeordnet ist, ist ein gewisses Material natürlich in der Standardstruktur vorhanden, so dass es natürliche elektrische Verluste an dieser Position in der Standardstruktur geben wird, und daher wird dieses Material hier als elektrische Verlustschicht`, wie bei dem VCSEL gemäß der Erfindung, bezeichnet. Die elektrischen Verluste pro Schichtdicke, die durch die absichtlich bereitgestellte elektrische Verlustschicht eingeführt werden, sind wieder höher, um einen Faktor von wenigstens 10, als die akkumulierten elektrischen Verluste pro Schichtdicke in den verbleibenden Teilen oder Gebieten der Struktur des VCSEL. Die ,natürliche` elektrische Verlustschicht, die vergleichsweise höhere elektrische Verluste als in den verbleibenden Teilen des VCSEL aufzeigt, ist die Stromeingrenzungsschicht, z. B. eine Oxidapertur. Diese ,natürliche` elektrische Verlustschicht der Standardstruktur stellt elektrische Verluste bereit, die nur geringfügig höher, um einen Faktor von etwa 2, als die akkumulierten Verluste in den verbleibenden Teilen der Standardstruktur sind. Die Verlustschicht, die gemäß der Erfindung bereitgestellt wird, führt jedoch elektrische Verluste pro Schichtdicke ein, die erheblich höher, um einen Faktor von wenigstens zehn, als die akkumulierten elektrischen Verluste in den verbleibenden Teilen oder Gebieten sind.
12 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Fertigen eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem ersten Schritt S10 wird ein optischer Resonator bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S20 wird der optische Resonator elektrisch kontaktiert.
13 zeigt ein Flussdiagramm, das den Verfahrensschritt S10 des Bereitstellens eines optischen Resonators aus 12 ausführlich veranschaulicht. In Schritt S12 wird ein zweiter Reflektor, z. B. ein Bragg-Spiegel (DBR), bereitgestellt. In Schritt S14 wird eine Verlustschicht bereitgestellt, die elektrische und/oder optische Verluste bereitstellt. In Schritt S16 wird ein aktives Gebiet zur Lichtemission bereitgestellt und anschließend wird in Schritt S18 ein erster Reflektor, z. B. ein Bragg-Spiegel, bereitgestellt. Es ist anzumerken, dass die Schichtstapel des zweiten DBR, der Verlustschicht, des aktiven Gebiets und des ersten DBR durch eine beliebige geeignete Technik gefertigt werden können, in der Technik bekannt ist. Ein Beispiel kann ein epitaktisches Wachstum auf einem Substrat sein, bei dem die unterschiedlichen Schichtstapel epitaktisch nacheinander auf dem Substrat gemäß der Reihenfolge der Schritte S12, S14, S16 und S18, die in 13 gezeigt ist, aufgewachsen werden.
14 zeigt ein Flussdiagramm, das einen alternativen Verfahrensschritt S20 des Bereitstellens eines optischen Resonators aus 10 ausführlich veranschaulicht. In Schritt S22 wird ein zweiter Reflektor, z. B. ein DBR, bereitgestellt. In Schritt S24 wird ein aktives Gebiet zur Lichtemission bereitgestellt. In Schritt S26 wird eine Verlustschicht bereitgestellt, die optische und/oder optische Verluste bereitstellt, und anschließend wird in Schritt S28 ein erster Reflektor, z. B. ein DBR, bereitgestellt.
Das Verfahren zum Fertigen, wie in 14 veranschaulicht, verweist auf eine VCSEL-Gestaltung, bei der die Verlustschicht oberhalb des aktiven Gebiets aufgewachsen wird (z. B. durch Epitaxie), während das Verfahren zur Fertigung, wie in 13 veranschaulicht, auf eine VCSEL-Gestaltung verweist, bei der die Verlustschicht unterhalb des aktiven Gebiets aufgewachsen wird (z. B. durch Epitaxie).
Es versteht sich, dass das Verfahren gemäß 13 und 14 auch die Integration einer Fotodiode in den optischen Resonator beinhalten kann.
Es versteht sich ferner, dass die Reihenfolge der Schritte, die in 13 und 14 gezeigt ist, nur beispielhaft ist, und alle diese Schritte sollen als äquivalent betrachtet werden sollen. Ferner versteht es sich, dass die in 13 und 14 veranschaulichten Verfahrensschritte nur alternativ sind, falls eine Verlustschicht bereitgestellt wird (d. h. entweder unterhalb oder oberhalb des aktiven Gebiets). Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Ausführungsformen beschränkt, bei denen nur eine Verlustschicht verwendet wird. Es kann eine Möglichkeit sein, zwei oder mehr Verlustschichten bereitzustellen, um die elektrischen und/oder optischen Verluste noch weiter zu erhöhen. Trotzdem muss ein Kompromiss gefunden werden, da Verluste zu einer Temperaturabnahme führen und die Effizienz der Vorrichtung und wahrscheinlich sogar die Lebensdauer reduzieren.
Obwohl die Erfindung in den Zeichnungen und der vorhergehenden Beschreibung ausführlich veranschaulicht und beschrieben wurde, sind eine solche Veranschaulichung und Beschreibung veranschaulichend oder beispielhaft und nicht beschränkend zu betrachten; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Variationen der zu offenbarenden Ausführungsformen können von einem Fachmann, der die beanspruchte Erfindung ausführt, aus einer Studie der Zeichnungen, der Offenbarung und der angehängten Ansprüche verstanden und bewirkt werden.
In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Ein einzelnes Element oder eine andere Einheit kann die Funktionen einiger Gegenstände erfüllen, die in den Ansprüchen genannt sind. Die reine Tatsache, dass gewisse Maßnahmen in jeweils unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen genannt sind, gibt nicht an, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft verwendet werden kann.
Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht als den Schutzumfang beschränkend ausgelegt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20140023380 A1 [0004]
US 20190173263 A1 [0005]
US 20160064899 A1 [0006]
US 20070041414 A1 [0007]
US 5745515 A [0009]

Claims

Oberflächenemitter (10), der Folgendes umfasst: einen optischen Resonator (20) mit einem ersten Reflektor (12), einem zweiten Reflektor (16) und einem aktiven Gebiet (14) zur Laseremission, das zwischen dem ersten Reflektor (12) und dem zweiten Reflektor (16) angeordnet ist; und eine elektrische Kontaktanordnung (32, 34), die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Ansteuerungsstrom bereitzustellen, um den optischen Resonator (20) elektrisch zu pumpen, wobei der optische Resonator (20) ferner eine Verlustschicht (18) umfasst, die optische und/oder elektrische Verluste einführt, um eine Wellenlängenverschiebung der Laseremission zu erhöhen, wenn der Ansteuerungsstrom variiert wird, wobei, falls die Verlustschicht eine optische Verlustschicht ist, die optischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, höher als die Summe der optischen Verluste in den verbleibenden Gebieten des optischen Resonators (20) sind, und wobei, falls die Verlustschicht eine elektrische Verlustschicht ist, die elektrischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, um einen Faktor von wenigstens 5 höher als die elektrischen Verluste in den verbleibenden Gebieten des optischen Resonators (20) sind, wobei die verbleibenden Gebiete das aktive Gebiet nicht beinhalten.
Oberflächenemitter (10) nach Anspruch 1, wobei die Verlustschicht (18) zwischen dem aktiven Gebiet (14) und dem ersten Reflektor (12) oder zwischen dem aktiven Gebiet (14) und dem zweiten Reflektor (16) angeordnet ist oder eine erste Schicht des ersten Reflektors (12) oder eine erste Schicht des zweiten Reflektors (16) ist, wobei die erste Schicht dem aktiven Gebiet (14) zugewandt ist.
Oberflächenemitter (10) nach Anspruch 1, der ferner ein Fotodiodengebiet umfasst, das in den Resonator (20) integriert ist, und wobei die optischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, dividiert durch die Dicke der Verlustschicht höher als in dem Fotodiodengebiet sind.
Oberflächenemitter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlustschicht (18) in Kontakt mit dem aktiven Gebiet (14) angeordnet ist.
Oberflächenemitter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlustschicht (18) ein Material mit einer fundamentalen Absorption bei der Emissionswellenlänge des Oberflächenemitters (10) umfasst.
Oberflächenemitter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Verlustschicht (18) in einem Bereich von 5 und 30 nm liegt.
Oberflächenemitter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlustschicht (18) eine Dotierung umfasst, die höher als die Dotierung des ersten oder zweiten Reflektors (12, 16) ist.
Oberflächenemitter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlustschicht (18) entweder an einem Wellenbauch oder an einem Knoten eines Stehende-Welle-Musters des Oberflächenemitters (10) angeordnet ist.
Oberflächenemitter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlustschicht (18) eine Dotierung umfasst, die niedriger als die Dotierung des ersten oder zweiten Reflektors (12, 16) ist, oder undotiert ist.
Oberflächenemitter (10) nach Anspruch 9, der ferner Folgendes umfasst: eine Stromeingrenzungsschicht (24), wobei die Verlustschicht (18) in Kontakt mit der Stromeingrenzungsschicht (24) angeordnet ist oder die Verlustschicht (18) als die Stromeingrenzungsschicht (24) konfiguriert ist.
Oberflächenemitter (10) nach Anspruch 10, wobei die Verlustschicht (18) zwischen dem aktiven Gebiet (14) und der Stromeingrenzungsschicht (24) angeordnet ist.
Oberflächenemitter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verlustschicht (18) eine Heteroschicht ist, die aus wenigstens einer ersten Schicht (18A) mit einem hohen, ersten Brechungsindex und einer zweiten Schicht (18B) mit einem niedrigen, zweiten Brechungsindex gebildet ist, und der Brechungsindexübergang zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht stufenartig ist.
Optischer Sensor, der einen Oberflächenemitter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Verfahren zum Fertigen eines Oberflächenemitters, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines optischen Resonators (20); und elektrisches Kontaktieren des optischen Resonators (20) zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuerungsstroms, um den optischen Resonator (20) elektrisch zu pumpen, wobei der Schritt des Bereitstellens eines optischen Resonators (20) die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Reflektors (12), Bereitstellen eines aktiven Gebiets (14) zur Laseremission, Bereitstellen eines zweiten Reflektors (16), und Bereitstellen einer Verlustschicht (18), die optische und/oder elektrische Verluste bereitstellt, um eine Wellenlängenverschiebung der Laseremission zu erhöhen, wenn der Ansteuerungsstrom variiert wird, wobei, falls die Verlustschicht eine optische Verlustschicht ist, die optischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, höher als die Summe der optischen Verluste in den verbleibenden Gebieten des optischen Resonators (20) sind, und wobei, falls die Verlustschicht eine elektrische Verlustschicht ist, die elektrischen Verluste, die durch die Verlustschicht eingeführt werden, um einen Faktor von wenigstens 5 höher als die elektrischen Verluste in den verbleibenden Gebieten des optischen Resonators (20) sind, wobei die verbleibenden Gebiete das aktive Gebiet nicht beinhalten.