DE19611393B4 - Vertikalhohlraumresonator-Oberflächenemissionslaser (VCSEL) - Google Patents

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Abstract

Vertikalhohlraumresonator-Oberflächenemissionslaser, welcher aufweist:
ein Substrat (30);
eine aus einem Verunreinigungen enthaltenden Halbleitermaterial bestehende, erste Reflektorschicht (32) auf dem Substrat (30);
eine auf der ersten Reflektorschicht (32) vorgesehene aktive Schicht (34) zur Erzeugung von Laserstrahlen;
eine auf der aktiven Schicht (34) vorgesehene zweite Reflektorschicht (36), die aus einem Halbleitermaterial besteht, welches den entgegengesetzten Verunreinigungstyp aufweist als das für die erste Reflektorschicht verwendete Halbleitermaterial; und
eine auf der zweiten Reflektorschicht (36) vorgesehene Elektrodenschicht (40), wobei die Elektrodenschicht (40) eine Metallschicht (44) aufweist, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und an eine externe Stromversorgungsquelle angeschlossen ist, sowie eine leitfähige Hilfsreflektorschicht (42), die unterhalb der Metallschicht (44) vorgesehen ist und ein Reflexionsvermögen aufweist, welches niedriger ist als das Reflexionsvermögen der ersten und zweiten Reflektorschicht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vertikalhohlraumresonator-Oberflächenemissionslaser (VCSEL), und insbesondere einen derartigen VCSEL, bei welchem eine Elektrodenschicht verbessert ist, um die optischen Eigenschaften des ausgesandten Lichts zu verbessern.
  • Aus den Druckschriften US 5 317 587 A und US 5 412 680 A ist bereits eine Vertikalhohlraumresonator-Oberflächenemissionslaser bekannt, mit einem Substrat, einer ersten Reflektorschicht auf dem Substrat, die eine erste Dotierung aufweist, eine auf der ersten Reflektorschicht vorgesehene aktive Schicht, eine auf der aktiven Schicht vorgesehne zweite Reflektorschicht, mit einer zur ersten Dotierung entgegengesetzten zweiten Dotierung, sowie einer auf der zweiten Reflektorschicht vorgesehenen Elektrodenschicht.
  • Im allgemeinen sendet ein VCSEL nahezu kreisförmige Gauss'sehe Strahlen vertikal von abgelagerten Halbleitermaterialschichten aus, so daß kein optisches System zur Korrektur der Art des ausgesandten Lichts erforderlich ist, anders als bei einem an der Seite emittierenden Laser. Da der VCSEL miniaturisiert werden kann, können darüber hinaus mehrere VCSELs auf einem einzelnen Halbleiter-Wafer integriert ausgebildet werden. Daher ist es leicht möglich, eine zweidimensionale Anordnung von VCSELs vorzusehen. Diese Vorteile machen den VCSEL attraktiv für optische Einsatzzwecke wie beispielsweise elektronische Rechner, Audio/Video-Geräte, Laserdrucker und -scanner, medizinische Geräte, und das technische Gebiet der Kommunikationstechnik.
  • 2 zeigt einen konventionellen VCSEL, der ein Substrat 10, eine erste Reflektorschicht 12, eine aktive Schicht 14, eine zweite Reflektorschicht 16 und eine Elektrodenschicht 20 aufweist, die alle nacheinander auf dem Substrat 10 abgelagert wurden. Hierbei ist das Substrat 10 mit einem Halbleitermaterial dotiert, welches eine Verunreinigung des n-Typs enthält, beispielsweise GaAs des n-Typs. Die erste Reflektorschicht 12 wird dadurch ausgebildet, daß auf dem Substrat 10 abwechselnd Halbleitermaterialien abgelagert werden, welche eine Verunreinigung desselben Typs wie jener des Substrats aufweisen, beispielsweise AlxGa1–xAs des n-Typs und AlAs des n-Typs. Die erste Reflektorschicht 12 weist ein Reflexionsvermögen von etwa 99,9% auf, und kann Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlassen, in welchem in der aktiven Schicht 14 ein Laservorgang stattfindet. Die zweite Reflektorschicht 16 besteht aus dem Halbleitermaterial, welches für die erste Reflektorschicht 12 verwendet wird, enthält jedoch den entgegengesetzten Verunreinigungstyp als die erste Schicht 12. Die zweite Reflektorschicht 16 wird daher dadurch gebildet, daß abwechselnd AlxGa1–xAs des p-Typs und AlAs des p-Typs auf der aktiven Schicht 14 abgelagert wird. Die zweite Reflektorschicht 16 weist ein Reflexionsvermögen von annähernd 99,6% auf, um das Licht zu emittieren, welches in der aktiven Schicht 14 aufgrund der Laserwirkung entsteht. Darüber hinaus bewegen die erste und die zweite Reflektorschicht 12 und 16 Elektronen und Löcher in Richtung zur aktiven Schicht 14 durch Anlegen einer Spannung an das Substrat 10 und die Elektrodenschicht 20, die beide an eine externe Stromversorgungsquelle angeschlossen sind. Die aktive Schicht 14 erzeugt Licht durch einen Energieübergang, der von der Wiedervereinigung von Elektronen und Löchern herrührt. Die aktive Schicht 14 kann einen Aufbau mit einem einzigen Quantengraben, einem Mehrfachquantengraben oder mit einem Übergitter aufweisen, und kann aus einem einzigen Halbleitermaterial oder einem nichtleitenden Material bestehen.
  • Die Elektrodenschicht 20 ist mit einem Hohlraumresonator 22 zum Aussenden von Licht versehen, welches durch die zweite Reflektorschicht 16 hindurchgelassen wird. Die Elektrodenschicht 20 besteht aus einem Metall mit hohem elektrischen Leitvermögen zum elektrischen Anschluß an die externe Stromversorgungsquelle. Wenn eine Spannung an die Elektrodenschicht 20 und das Substrat 10 angelegt wird, fließt in dem VCSEL ein Strom.
  • Ein Abschnitt 18 mit hohem Widerstand ist in der zweiten Reflektorschicht 16 vorgesehen, beabstandet von der unteren Oberfläche des Hohlraumresonators 22, durch Implantieren von Ionen oder Protonen in die zweite Reflektorschicht 16. Der Abschnitt 18 mit hohem Widerstand begrenzt den Stromfluß innerhalb des VCSEL, so daß die Ausgabe des Lichts erhöht wird, mit welchem in der aktiven Schicht 14 eine Laserwirkung stattfindet, und welches über den Hohlraumresonator 22 ausgesandt wird.
  • Ein Teil des Lichts, welches durch einen Bereich außer dem Abschnitt 18 mit hohem Widerstand gelangt, bewegt sich jedoch in Richtung auf einen vorspringenden Abschnitt 21 der Elektrodenschicht 20, der sich in den Hohlraumresonator 22 hin erstreckt. Da die Elektrodenschicht 20 aus einem Metall besteht, welches eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise Gold oder Kupfer, wird das meiste Licht, welches auf diese Metallschicht auftrifft, von dieser reflektiert und breitet sich zur zweiten Reflektorschicht 16 hin aus. Das sich zur zweiten Reflektorschicht 16 hin bewegende Licht beeinflußt das von dem Hohlraumresonator 22 ausgesandte Licht. Daher werden der Einzelmodenbetrieb und die Intensität des Laserlichts beeinflußt.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines VCSEL, bei welchem der Aufbau einer Elektrodenschicht verbessert ist, um eine gleichförmige Intensität des ausgesandten Lichts zu erreichen.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    •
  • Die voranstehenden Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden, ins einzelne gehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch deutlicher. Es zeigt:
  • 2 eine schematische Schnittansicht eines konventionellen VCSEL; und
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Wie aus 1 hervorgeht, weist ein VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung ein Substrat 30 auf, sowie eine erste Reflektorschicht 32, eine aktive Schicht 34, eine zweite Reflektorschicht 36, und eine Elektrodenschicht 40, die alle nacheinander auf dem Substrat 30 ausgebildet werden.
  • Das Substrat 30 ist mit einem Halbleitermaterial dotiert, welches eine Verunreinigung des n-Typs enthält, beispielsweise GaAs des n-Typs, und ist an eine externe Stromversorgungsquelle angeschlossen: Die erste Reflektorschicht 32 wird dadurch hergestellt, daß auf dem Substrat 30 abwechselnd Halbleitermaterialien abgelagert werden, welche Verunreinigungen desselben Typs wie bei dem Substrat 30 enthalten, beispielsweise AlxGa1–xAs des n-Typs und AlAs des n-Typs. Die erste Reflektorschicht 32 weist ein hohes Reflexionsvermögen von etwa 99,9% auf und sendet Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich aus, in welchem in der aktiven Schicht 32 eine Laserwirkung stattfindet. Die zweite Reflektorschicht 36 besteht aus den Halbleitermaterialien, aus welchen die erste Reflektorschicht 32 besteht, wobei jedoch der entgegengesetzte Verunreinigungstyp wie bei der ersten Reflektorschicht 32 vorgesehen ist. Die zweite Reflektorschicht 36 wird daher dadurch ausgebildet, daß abwechselnd AlxGa1–xAs des p-Typs und AlAs des p-Typs auf der aktiven Schicht 34 abgelagert wird. Die zweite Reflektorschicht 36 weist ein Reflexionsvermögen von annähernd 99,6% auf, um Licht auszusenden, welches durch die Laserwirkung in der aktiven Schicht 34 entsteht. Darüber hinaus bringen die erste und die zweite Reflektorschicht 32 und 36 Elektronen und Löcher zur aktiven Schicht 34, durch Anlegen einer Spannung an das Substrat 30 und die Elektrodenschicht 40, die beide an die externe Stromversorgungsquelle angeschlossen sind. Die aktive Schicht 34 erzeugt Licht durch einen Energieübergang, der von einer Rekombination von Elektronen und Löchern herrührt. Die aktive Schicht 34 kann einen Aufbau mit einem einzelnen Quantengraben, einem Mehrfachquantengraben oder mit einem Übergitter aufweisen.
  • Die Elektrodenschicht 40 ist mit einem Hohlraumresonator 46 zum Aussenden von Licht versehen, welches von der zweiten Reflektorschicht 36 durchgelassen wird.
  • Die Elektrodenschicht 40 ist eine Doppelschicht aus einer Metallschicht 44 und einer leitfähigen Hilfsreflektorschicht 42. Die Metallschicht 44 ist an die externe Stromversorgungsquelle angeschlossen und besteht vorzugsweise aus Metall, welches eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, beispielsweise Gold oder Silber.
  • Zwischen der Metallschicht 44 und der zweiten Reflektorschicht 36 ist die Hilfsreflektorschicht 42 vorgesehen, die aus Nickel, Molybdän, Platin oder Chrom besteht. Das Reflexionsvermögen der Hilfsreflektorschicht 42 beträgt annähernd 98% bis 99%, also weniger als das Reflexionsvermögen der ersten und zweiten Reflektorschicht 32 bzw. 36. Daher ist die Intensität des Lichts, das von der unteren Oberfläche eines vorspringenden Abschnitts 43 der Hilfsreflektorschicht 42 ausgesandt wird, kleiner als die Intensität des Lichts, das von dem Hohlraumresonator 46 reflektiert wird. Die Hilfsreflektorschicht 42 unterdrückt daher das Aussenden von Licht in höheren Moden und dient daher dazu, Licht mit geringem Rauschen im Single-Mode-Betrieb über den Hohlraumresonator 46 auszusenden.
  • Darüber hinaus kann ein Abschnitt 38 mit hohem Widerstand zusätzlich in der zweiten Reflektorschicht 36 so vorgesehen sein, daß er von der unteren Oberfläche des Hohlraumresonators 46 beabstandet ist, durch Implantieren von Ionen oder Protonen in die zweite Reflektorschicht 36. Der Abschnitt 38 mit hohem Widerstand begrenzt den Stromfluß, wodurch die Intensität des Lichts erhöht wird, das infolge der Laserwirkung in der aktiven Schicht 34 entsteht und von dem Hohlraumresonator 46 ausgesandt wird.
  • Da der VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung das Aussenden von Licht in Moden höherer Ordnung unterdrückt, sind daher die optischen Eigenschaften des von dem Hohlraumresonator ausgesandten Lichts verbessert, so daß das Licht eine grundlegende, einzelne Mode beibehält.

Claims (3)

  1. Vertikalhohlraumresonator-Oberflächenemissionslaser, welcher aufweist: ein Substrat (30); eine aus einem Verunreinigungen enthaltenden Halbleitermaterial bestehende, erste Reflektorschicht (32) auf dem Substrat (30); eine auf der ersten Reflektorschicht (32) vorgesehene aktive Schicht (34) zur Erzeugung von Laserstrahlen; eine auf der aktiven Schicht (34) vorgesehene zweite Reflektorschicht (36), die aus einem Halbleitermaterial besteht, welches den entgegengesetzten Verunreinigungstyp aufweist als das für die erste Reflektorschicht verwendete Halbleitermaterial; und eine auf der zweiten Reflektorschicht (36) vorgesehene Elektrodenschicht (40), wobei die Elektrodenschicht (40) eine Metallschicht (44) aufweist, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und an eine externe Stromversorgungsquelle angeschlossen ist, sowie eine leitfähige Hilfsreflektorschicht (42), die unterhalb der Metallschicht (44) vorgesehen ist und ein Reflexionsvermögen aufweist, welches niedriger ist als das Reflexionsvermögen der ersten und zweiten Reflektorschicht.
  2. Vertikalhohlraumresonator-Oberflächenemissionslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionsvemögen der Hilfsreflektorschicht (42) annähernd 98 % bis 99% beträgt.
  3. Vertikalhohlraumresonator-Oberflächenemissionslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt mit hohem Widerstand in der zweiten Reflektorschicht (36) beabstandet von dem Hohlraumresonator mittels Implantierung von Ionen oder Protonen in die zweite Reflektorschicht (36) vorgesehen ist, um die Intensität des Lichts zu erhöhen, welches über den Hohlraumresonator ausgesandt wird.
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