DE19723677A1 - Optoelektronisches Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Halb­ leiterbauelement mit einem zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung geeigneten Halbleiterkörper, bei dem über einem Halbleitersubstrat eine aktive Zone angeordnet ist, innerhalb der bei Stromfluß durch den Halbleiterkörper die elektroma­ gnetische Strahlung erzeugt wird und die zwischen mindestens einer ersten Resonatorspiegelschicht und mindestens einer zweiten Resonatorspiegelschicht angeordnet ist.

Ein optoelektronisches Halbleiterbauelement mit einem derar­ tigen Halbleiterkörper ist beispielsweise der sogenannte Ver­ tical Cavity Surface Emitting Laser (kurz VCSEL genannt). Bei diesem Bauelement wird das in der aktiven Zone einer Hete­ rostruktur erzeugte Licht senkrecht zu der die aktive Zone aufweisenden Schichtstruktur zwischen den beiden Resonator­ spiegelschichten, also in Stromflußrichtung, reflektiert und in steilem Winkel zur Oberfläche der Halbleiter- Heterostruktur durch eine der Reflektorspiegelschichten hin­ durch aus dem Halbleiterkörper ausgekoppelt.

Ein derartiges optoelektronisches Halbleiterbauelement und dessen Funktionsprinzip ist beispielsweise aus W.Bludau, Halbleiter-Optoelektronik, Hansa-Verlag, München, Wien, 1995, Seiten 188 und 189 bekannt. Hierin ist eine VCSEL-Diode be­ schrieben, bei dem auf einem n-leitenden Substrat ein Halb­ leiterkörper aufgebracht ist, der aus einer ersten Schicht­ folge aus n-dotierten Spiegelschichten (untere Resonatorspie­ gelschicht), einem Bereich mit der aktiven Zone und einer zweiten Schichtfolge aus p-dotierten Spiegelschichten (obere Resonatorspiegelschicht) besteht. Der elektrische Anschluß des Halbleiterkörpers ist durch einen ohmschen Oberseitenkon­ takt auf dem oberen Spiegel und einen Unterseitenkontakt an dem Substrat realisiert. Die genaue Funktionsweise ist in der oben genannten Textstelle beschrieben und wird von daher an dieser Stelle nicht mehr näher erläutert.

Die untere Resonatorspiegelschicht ist beispielsweise eine mit Silizium n-leitend dotierte, epitaktisch vor dem Abschei­ den der aktiven Schichtfolge auf dem Halbleitersubstrat auf­ gebrachte periodische Folge von abwechselnd GaAs- oder AlGaAs- und AlAs- oder AlGaAs-Schichten mit hohem bzw. nied­ rigen Brechungsindex, deren jeweilige Schichtdicke 1/4 der von der aktiven Zone emittierten Wellenlänge dividiert durch den Materialbrechungsindex ist. Das Reflexionsvermögen des Spie­ gels wird durch die Anzahl der Schichtpaare eingestellt. Auf diesem n-leitenden sogenannten Bragg-Reflektor ist beispiels­ weise eine n-leitende erste Barriereschicht, z. B. bestehend aus AlGaAs, eine aktive Zone, z. B. mit einer InGaAs/GaAs- Multiquantentrogstruktur (MQW) und eine p-leitende zweite Barriereschicht, z. B. bestehend aus AlGaAs, aufgebracht, der­ art, daß die aktive Zone zwischen den Barriereschichten ein­ gebettet ist.

An die p-leitende zweite Barriereschicht grenzt die obere Re­ sonatorspiegelschicht, z. B. ein mit Beryllium oder Kohlen­ stoff p-leitend dotierter GaAs/AlAs-Bragg-Reflektor, auf des­ sen Oberseite der ohmsche Oberseitenkontakt angeordnet ist. Nach Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Oberseiten- und Unterseitenkontakt, derart, daß der pn-Übergang der akti­ ven Zone in Durchlaßrichtung gepolt ist, werden im gewählten Beispiel negative Ladungsträger von der Substratseite durch den n-leitenden unteren Bragg-Spiegel in die aktive Zone in­ jiziert. Löcher werden vom Oberseitenkontakt durch den p­ leitenden oberen Bragg-Reflektor injiziert.

Ähnliche optoelektronische Halbleiterbauelemente sind bei­ spielsweise in Iga,Inst.Phys Conf.Ser. 145 (8), 1996, Seiten 967 bis 972, beschrieben und können für verschiedene Längen­ wellenbereiche der elektromagnetischen Strahlung aus unter­ schiedlichen Materialien hergestellt sein.

Beim Konzept der VCSEL können viele Laser in lateraler Rich­ tung auf einem Halbleitersubstrat definiert und somit leicht Laser-Arrays ausgebildet werden, die gegenüber den sogenann­ ten SCH(Seperate Confinement Heterostructure)-Lasern eine vorteilhaftere Strahlcharakteristik aufweisen.

In den oben aufgeführten Halbleiterlaser-Strukturen tritt das besondere Problem auf, daß der p-leitende Bragg-Reflektor aus GaAs/AlAs-, AlGaAs/AlAs- oder AlGaAs/GaAs-Schichtfolgen einen hohen elektrischen Widerstand aufweist und daher hohe elektrische Verluste hervorruft. Wegen der geringen Wärme­ leitfähigkeit der oben genannten Materialien tritt folglich eine deutliche Erwärmung der Laserdiode im Betrieb auf. Da­ durch wird beispielsweise die Lebensdauer von VCSEL-Lasern mit hoher optischer Ausgangsleistung stark begrenzt.

Darüber hinaus wird durch die großen Spannungsabfälle an den p-leitenden Spiegeln die Ansteuerung der Laserdiode mit einem Spannungspegel < 5V, der für logische Signale spezifiziert ist, verhindert.

Um dieses Problem zu mindern, werden die p-leitenden Spiegel­ schichten in VCSEL-Strukturen meist auf der Seite der aktiven Zone, auf welcher die elektromagnetische Strahlung aus dem Halbleiterkörper ausgekoppelt wird, aufgebracht. Auf dieser Seite werden nämlich weniger Spiegelschichtpaare benötigt, um die Reflektivität dieser Seite gegenüber der gegenüberliegen­ den n-leitenden Resonator-Spiegelschicht zu senken, wodurch eine Auskopplung der Laserstrahlung möglich ist. Bei oberflä­ chenemittierenden Lasern wird der Halbleiterkörper daher meist auf einem n-leitenden Substrat hergestellt, wodurch die p-leitende Oberseite positiv gegenüber der Substrat-Seite ge­ polt werden muß. Dieser Umstand ist nachteilig für die An­ steuerung der Laserdiode, vor allem, wenn es die gezielte, stromgeregelte Ansteuerung einer VCSEL-Diode in einem Laser- Array betrifft, wie es beispielsweise in EP 709 939 A1 behan­ delt ist.

Des weiteren ist es nachteilig, die üblicherweise in den oben beschriebenen VCSEL-Strukturen verwendeten GaAs-Substrate aus p-leitendem GaAs herzustellen, da diese nur mit sehr großem technischen Aufwand mit hoher struktureller Qualität her­ stellbar sind. Sie sind von daher kommerziell nur mit einer deutlich geringeren strukturellen Qualität erhältlich als z. B. mit Si n-leitend dotierte GaAs-Substrate.

Es wurden bereits verschiedene Lösungsansätze verfolgt, den elektrischen Widerstand der p-leitenden Bragg-Reflektoren zu erniedrigen. In MG Peters et al., J.Vac. Sci. Technol. Band 12 (6) 1994, Seiten 3075 bis 3083, sind Verfahren beschrie­ ben, bei welchen durch Manipulation der Grenzflächen- Materialübergänge und -Dotierung der Transport von Löchern in p-leitenden Bragg-Spiegel verbessert wird. Problematisch bei z. B. auf InGaAlAs basierenden Spiegeln für VCSEL ist die große effektive Masse der Löcher und eine hohe Energiebarrie­ re beim Austritt von Löchern, z. B. aus einer GaAs-Schicht in eine AlAs-Schicht. Bei den angesprochenen Verfahren wird die Komposition des Materials in einer engen Zone um die GaAs/AlAs-Grenzfläche herum auf verschiedene Weise zwischen den binären Verbindungen GaAs und AlAs über eine AlGaAs- Legierung variiert und gleichzeitig durch geschickte Dotie­ rung mit z. B. Be, C oder Si versucht, die Potentialbarriere abzuflachen und zu minimieren.

Eine weitere Methode wäre, an Stelle von GaAs die Verbindung AlGaAs in AlGaAs/AlAs-Bragg-Gittern oder an Stelle von AlAs die Verbindung AlGaAs in GaAs/AlGaAs-Bragg-Gittern zu verwen­ den. Damit wird die Barriere für Löcher erniedrigt, wodurch ein geringerer elektrischer Widerstand erreicht wird. Nach­ teilig hierbei ist jedoch, daß der Brechzahlunterschied zwi­ schen AlGaAs und GaAs bzw. AlAs kleiner ist als im Fall der binären Spiegel aus GaAs/AlAs. Folglich müssen deutlich mehr Spiegelpaare aufgebracht werden, um eine ähnliche Reflektivi­ tät wie bei AlAs/GaAs-Schichtfolgen zu erzielen, wodurch der elektrische Widerstand wiederum erhöht wird.

Darüber hinaus ist die thermische Leitfähigkeit von AlGaAs deutlich geringer als von GaAs oder AlAs, wodurch die im La­ ser erzeugte thermische Energie nur in unzureichendem Maße abgeführt wird.

Eine die Erniedrigung des elektrischen Widerstandes in den oben genannten p-leitenden Bragg-Reflektorschichten ein­ schränkende Erscheinung ist das Auftreten freier Ladungsträ­ ger-Absorption, die für Löcher deutlich höher ist, als für Elektronen. Dadurch können nicht beliebig hohe Akzeptor- Konzentrationen in den p-Bragg-Spiegeln verwendet werden. Bei der Verwendung von Be als Akzeptormaterial kommt es des wei­ teren zu einer Diffusion des Dotierstoffes bei üblichen Her­ stellungstemperaturen, wodurch eine Aufweichung des gewünsch­ ten Dotierprofiles an der Grenzfläche eintritt, die zu einer Erhöhung des Widerstandes und des Schwellstromes des VCSEL führt.

Bei anderen Halbleitermaterialien, die ebenfalls in VCSEL- Bauelementen eingesetzt werden, wie z. B. InGaAsP oder AlInGaAs oder II-VI-Halbleiter wie ZnMgSSe oder BeMgZnSe, treten ähnliche Bedingungen auf. Hier kommt noch hinzu, daß beispielsweise im Fall von VCSEL-Strukturen auf InP-Substrat die Herstellung p-leitender Spiegel erheblich schwieriger ist, da der Brechungsindexunterschied der verwendeten p­ leitenden Spiegelpaare, die gitterangepaßt an InP-Substrat sind, wie z. B. p-InP/p-InGaAsP, sehr gering ist und damit viele Spiegelpaare aufgebracht werden müssen.

Bei der Herstellung von VCSEL-Bauelementen, insbesondere von Bragg-Reflektorspiegelschichten, ist eine hohe Reproduzier­ barkeit, mit der die Schichtdicken und Schichtzusammensetzun­ gen bei der Herstellung mit Molekularstrahlepitaxie, (MBE) oder metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) eingestellt werden können, eine Grundvoraussetzung für gleichbleibende Bauelementeigenschaften. Es sollte eine Genauigkeit von besser als 3% erreicht werden. Durch kompli­ zierte Variationen an den Grenzflächen, insbesondere in den p-leitenden Spiegeln, ist diese Reproduzierbarkeit nur sehr schwierig zu erreichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optoelektronisches Bauelement der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem insbesondere der elek­ trische Widerstand des Halbleiterkörpers verringert ist.

Weiterhin soll ein verbessertes VCSEL-Bauelement zur Verfü­ gung gestellt werden, bei welchem elektromagnetische Strah­ lung im Bereich zwischen 350 nm und 3 µm erzeugt wird, wobei der elektrische Widerstand des Bauelementes klein ist, die entstehende thermische Energie gut abgeführt wird und dessen Herstellung vergleichsweise einfach ist.

Diese Aufgabe wird mit einem optoelektronischen Halbleiter­ bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen des erfin­ dungsgemäßen optoelektronischen Halbleiterbauelements ergeben sich aus den dem Anspruch 1 nachgeordneten Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die erste und die zweite Resonatorspiegelschicht Halbleitermaterial eines ersten Lei­ tungstyps aufweisen und daß zwischen der aktiven Zone und ei­ ner der beiden Resonatorspiegel-Schichten eine erste hochdo­ tierte Übergangsschicht des ersten Leitungstyps und eine zweite hochdotierte Übergangsschicht eines zweiten Leitung­ styps angeordnet sind, derart, daß die zweite hochdotierte entartete Übergangsschicht zwischen der aktiven Zone und der ersten hochdotierten entarteten Übergangsschicht liegt. Die erste und die zweite hochdotierte Übergangsschicht weisen be­ vorzugt eine Dotierstoffkonzentration < 1.10¹⁷ cm^-3 auf.

Bei dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Halbleiterbau­ element ist somit die aktive Zone zwischen zwei Resonator­ spiegel-Schichten mit gleichem Leitungstyp angeordnet. Folg­ lich ist in den Resonatorspiegel-Schichten nur ein Ladungs­ trägertyp zum elektrischen Transport verwendet. In den hoch­ dotierten, entarteten Schichten werden diese Ladungsträger in den komplementären Ladungsträgertyp umgewandelt und in den pn-Übergang der aktiven Zone injiziert. Dabei ist die Folge entarteter Schichten in Rückwärtsrichtung (Sperrichtung) ge­ polt.

Bei VCSEL-Strukturen auf der Basis von GaAs- Halbleitermaterial sind die Bragg-Reflektorspiegelschichten bevorzugt n-leitend ausgebildet, wodurch die beschriebenen Nachteile herkömmlicher VCSEL-Strukturen, insbesondere die Verwendung einer hochohmigen und stark absorptiven p- leitenden Resonatorspiegelschicht und/oder eines nur mit gro­ ßem Aufwand herstellbaren p-leitenden GaAs-Substrats vermie­ den wird.

Die Folge hochdotierter Schichten kann auf der Seite der ak­ tiven Zone liegen, auf welcher der Bragg-Reflektor mit der geringeren Reflektivität liegt. In einer anderen Ausgestal­ tung kann sie auf der Seite der aktiven Zone liegen, auf wel­ cher der Bragg-Reflektor mit der höheren Reflektivität ange­ ordnet ist.

Die elektromagnetische Strahlung wird entweder auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers oder durch das Substrat oder ein Loch im Substrat hindurch aus dem Halbleiterkörper ausgekoppelt.

Schichtpaare aus hochdotierten entarteten Halbleiterschichten entgegengesetzten Leitungstyps sind bereits eingesetzt wor­ den, um optoelektronische Bauelemente, wie mehrschichtige Strahlungsempfänger, die beispielsweise in M. Ilegems et al., Integrated Multijunction GaAs photodetector with high output voltage, in Applied Physics Letters 33 (7) 1978, Seiten 629 bis 631, beschrieben sind, oder mehrschichtige Solarzellen, die beispielsweise in D. L. Miller et al., Journal of Applied Physics 53 (1) 1982, Seiten 744 bis 748 beschrieben sind, zu entwickeln. Weiterhin wurden derartige pn-Übergänge aus hoch­ dotierten entarteten Halbleiterschichten dazu verwendet, Sta­ pel aus einzelnen Halbleiterlaserstrukturen monolithisch elektrisch in Serie zu schalten, wie es beispielsweise in C. P. Lee et al., Applied Physics Letters 30 (10) 1977, Seiten 535 bis 538, oder in der US 5,212,706 beschreiben ist.

In den genannten Fällen wird die Folge hochdotierter Schich­ ten jedoch als elektrischer Kontakt zwischen optoelektroni­ schen Bauelementen zu deren Hintereinanderschaltung einge­ setzt. Im Gegensatz dazu wird bei dem oben beschriebenen er­ findungsgemäßen optoelektronischen Bauelement die Folge hoch­ dotierter Halbleiterschichten dazu verwendet, eine Resonator­ spiegelschicht eines ersten Leitungstyps an eine Halbleiter­ schicht eines zweiten Leitungstyps anzukoppeln. Hierbei sind Teile der Schichtfolge z. B. eines VCSEL-Bauelements, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise eine oder mehrere Schichten der Resontatorspiegelschicht oder eine Barriereschicht durch die hochdotierten entarteten Schichten ersetzt oder ergänzt.

Das erfindungsgemäße optoelektronische Halbleiterbauelement wird im Folgenden anhand von vier Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur eines ersten Ausführungsbeispieles,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur eines zweiten Ausführungsbeispieles

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur eines dritten Ausführungsbeispieles und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur eines vierten Ausführungsbeispieles.

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele jeweils mit denselben Bezugszeigen versehen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Schichtstruktur handelt es sich um den Halbleiterkörper 24 eines vertikal zur Oberfläche emittierenden Lasers, einer VCSEL-Diode, bei der die Laser­ strahlung 22 durch die einem Halbleitersubstrat 12 gegenüber­ liegenden Seite des Halbleiterkörpers 24 aus diesem ausgekop­ pelt wird. Der auf dem Halbleitersubstrat 12 eines ersten Leitungstyps (z. B. n-Leitung) aufgebrachte Halbleiterkörper 24 besteht aus einer aktiven Zone 1, die als Vielfachquanten­ trogstruktur ausgebildet und zwischen einer ersten Barriere­ schicht 8 des ersten Leitungstyps und einer zweiten Barriere­ schicht 9 eines zweiten Leitungstyps (z. B. p-Leitung) einge­ schlossen ist. Zwischen der ersten Barriereschicht 8 und der aktiven Zone 1 ist eine erste Anpassungsschicht 17 des ersten Leitungstyps und zwischen der zweiten Barriereschicht 9 und der aktiven Zone 1 ist eine zweite Anpassungsschicht 18 des zweiten Leitungstyps angeordnet. Bei geeigneter Wahl der Ma­ terialkombinationen für die aktive Zone 1 und die Barriere­ schichten 8,9 können die Anpassungsschichten 17, 18 auch weg­ gelassen sein.

Die auf der dem Substrat 12 abgewandten Seite der aktiven Zo­ ne 1 liegende erste Barriereschicht 8 ist über eine erste Zwischenschicht 16 des ersten Leitungstyps an eine Obersei­ ten-Bragg-Reflektorschicht 2 des ersten Leitungstyps ange­ schlossen.

Eine substratseitige Unterseiten-Bragg-Reflektorschicht 3 ist vom ersten Leitungstyp und über eine Pufferschicht 13 des er­ sten Leitungstyps an das Substrat 12 angeschlossen. An der dem Substrat 12 abgewandten Seite der Unterseiten-Bragg- Reflektorschicht 3 schließt sich eine erste hochdotierte, entartete Übergangsschicht 11 des ersten Leitungstyps an, die durch eine zweite Zwischenschicht 14 des ersten Leitungstyps mit der Unterseiten-Bragg-Reflektorschicht 3 verbunden ist. Auch auf diese Zwischenschicht 14 kann bei geeigneter Wahl der Materialien verzichtet werden.

Auf der dem Substrat abgewandten Seite der ersten hochdotier­ ten, entarteten Übergangsschicht 11 schließt sich dieser eine zweite hochdotierte, entartete Übergangsschicht 10 des zwei­ ten Leitungstyps an. Auf dieser ist wiederum optional eine dritte Zwischenschicht 15 des zweiten Leitungstyps aufge­ bracht, auf der die zweite Barriereschicht 9 angeordnet ist.

Auf der der aktiven Zone 1 abgewandten Seite der Oberseiten- Bragg-Reflektorschicht 2 befindet sich ein ohmscher Kontakt 20, wobei zwischen diesem und der Oberseiten-Bragg- Reflektorschicht 2 auch noch eine vierte Zwischenschicht 19 des ersten Leitungstyps angeordnet sein kann. Ein weiterer elektrischer Kontakt 21 befindet sich an der Rückseite des Substrats 12.

In Betrieb des Halbleiterbauelements wird über die Kontakte 20, 21 an den Halbleiterkörper 24 eine elektrische Spannung derart angelegt, daß der pn-Übergang, der zwischen der er­ sten Barriereschicht 8 und der ersten Anpassungsschicht 17 einerseits und der zweiten Barriereschicht 9 und der zweiten Anpassungsschicht 18 andererseits an der aktiven Zone 1 ge­ bildet ist, in Vorwärtsrichtung gepolt ist, und der pn- Übergang, der zwischen der ersten hochdotierten, entarteten Übergangsschicht 11 und der zweiten hochdotierten, entarteten Übergangsschicht 10 gebildet ist, in Rückwärtsrichtung gepolt ist. Für den Fall, daß der erste Leitungstyp n-Leitung und der zweite Leitungstyp p-Leitung ist, können die Ladungsträ­ ger aus dem Valenzband des Materials in der zweiten hochdo­ tierten, entarteten Übergangsschicht 10 die Energiebarriere ins Leitungsband des Materials der ersten hochdotierten, ent­ arteten Übergangsschicht 11 durchdringen, so daß der Strom auf der Seite der zweiten hochdotierten, entarteten Über­ gangsschicht 10 von Ladungsträgern des zweiten Leitungstyps getragen wird. Für den umgekehrten Fall - erster Leitungstyp p-Leitung und zweiter Leitungstyp n-Leitung - tunneln die La­ dungsträger aus dem Leitungsband des Materials in der zweiten hochdotierten, entarteten Übergangsschicht 10 in das Valenz­ band des Materials der ersten hochdotierten, entarteten Über­ gangsschicht 11.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten dadurch, daß hier die La­ serstrahlung 22 durch das Halbleitersubstrat 12 hindurch aus dem Halbleiterkörper 24 ausgekoppelt wird. Dazu ist im Substrat 12 und in der Kontaktschicht 21 eine Ausnehmung 23 vorgesehen.

Im Unterschied zu den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Bauelements be­ findet sich bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 die erste hochdotierte, entartete Übergangsschicht 11 und die zweite hochdotierte, entartete Übergangsschicht 10 auf der dem Substrat 12 abgewandten Seite der aktiven Zone 1. Der von den hochdotierten, entarteten Übergangsschichten 10, 11 gebildete pn-Übergang liegt folglich zwischen der Ober­ seiten-Bragg-Reflektorschicht 3 und der aktiven Zone 1, der­ art, daß die zweite Übergangsschicht 10 zwischen dieser und der ersten Übergangsschicht 11 angeordnet ist. In der Anord­ nung nach Fig. 3 wird die elektromagnetische Strahlung in steilem Winkel zu der dem Substrat 12 gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers 24 durch einen transparenten oder mit einer Austrittsöffnung 23 versehenen Kontakt 20 hin­ durch ausgekoppelt. In der Ausführungsform nach Fig. 4 wird die Lichtwelle 22 durch das Substrat 12 und den transparenten oder mit einer Durchtrittsöffnung 23 versehenen Kontakt 21 hindurch oder durch eine im Substrat 12 und im Kontakt 21 vorgesehene Ausnehmung 23 hindurch emittiert. Die Funktion der weiteren Zwischen- 14, 15, 16, 19, Anpassungs- 17, 18, Bar­ riere- 8, 9 und Spiegel-Schichten 2,3 und der aktiven Zone 1 sind im weiteren analog zu den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 zu verstehen.

Gemäß den Ausführungsbeispielen von Fig. 1 und Fig. 3 sind die Oberseiten-Bragg-Reflektorschicht 2 bzw. die Unterseiten- Bragg-Reflektorschicht 3 von sich abwechselnden Schichten 4, 5 mit jeweils hohem und niedrigem Brechungsindex gebildet, de­ ren Folge sich periodisch wiederholt. Analog ist die Unter­ seiten-Bragg-Reflektorschicht 3 bzw. die Oberseiten-Bragg- Reflektorschicht 2 aus sich abwechselnden Schichten 6, 7 mit jeweils hohem und niedrigem Brechungsindex hergestellt. Die Dicke der jeweiligen Schicht wird so gewählt, daß sie ¼ der Wellenlänge der emittierten elektromagnetischen Strahlung di­ vidiert durch den Brechungsindex des jeweils für die Schich­ ten 4, 5, 6, 7 verwendeten Materials ist. Dabei wird die elek­ trische Leitfähigkeit und der Aufbau der Schichten 4,5 so ge­ wählt, daß das Reflexionsvermögen und die Leitfähigkeit ver­ tikal zu dem Schichtstapel der Oberseiten-Bragg-Reflektor­ schicht 2 bzw. die Unterseiten-Bragg-Reflektorschicht 3 maxi­ mal ist. Die Reflektivität der jeweiligen Bragg-Reflektor­ schicht 2, 3 wird durch die Anzahl der Schichtpaare einge­ stellt.

In den erfindungsgemäßen Ausführungen nach Fig. 1 bzw. Fig. 3 ist die Reflektivität der Oberseiten-Bragg-Reflektorschicht 2 bzw. 3 geringfügig geringer eingestellt als die der Unter­ seiten-Bragg-Reflektorschicht 3 bzw. 2, so daß die erzeugte elektromagnetische Welle über die der Substratseite gegen­ überliegende Oberseite des Halbleiterkörpers 24 durch einen transparenten oder mit einer Austrittsöffnung 23 versehenen Oberseitenkontakt 20 hindurch ausgekoppelt wird.

Bei den Ausführungsbeispielen von Fig. 2 und Fig. 4 ist die Reflektivität der Unterseiten-Bragg-Reflektorschicht 3 bzw. 2 geringfügig geringer eingestellt als die der Oberseiten- Bragg-Reflektorschicht 2 bzw. 3, um das Licht durch das Substrat 12 oder durch eine Ausnehmung 23 im Substrat 12 hin­ durch aus dem Halbleiterkörper 24 auszukoppeln.

Bevorzugt werden n-leitende Schichten 4, 5, 6, 7 in den Bragg- Reflektorschichten 2,3 verwendet, die beispielsweise Si­ dotiert sind. Materialien für diese Schichten sind beispiels­ weise AlAs, Al_xGa_1-xAs_yP_1-y, GaAs oder Al_xGa_1-yAs_xSb_1-x, In_xGa_1-x As_yP_1-y oder II-VI-Halbleitermaterialien, wie z. B. Zn_1-x-y Cd_xMg_ySe, Zn_1-xCd_xSe_1-yTe_y, Be_xMg_yZn_1-x-yTe oder Be_xMg_yZn_1-x-ySe.

Die zur Lichterzeugung verwendete aktive Zone 1 kann aus ei­ ner in der Regel undotierten oder schwach dotierten Hete­ rostruktur bestehen, die als Einfach- oder Mehrfachquanten­ trog-Struktur ausgebildet sein kann, wobei die QW- bzw. MQW- Struktur in Barriereschichten 8, 9 mit entgegengesetztem Lei­ tungstyp eingebettet ist. Dadurch wird der effektive elek­ trische Ladungsträgereinschluß in der aktiven Zone bei In­ jektion von Ladungsträgern durch Polung dieser p-i-n-Struktur in Durchlaßrichtung erzielt. Die Dotierung ist im Fall von Elektronenleitung in einer der Barriereschicht 8 und 9 bevor­ zugt so einzustellen, daß sie zwischen 1.10¹⁶ cm^-3 und 5.10¹⁹ cm^-3 beträgt, was bevorzugtermaßen durch den Einbau von Si erreicht wird. Im Falle der Löcherleitung in der anderen der Barriereschicht 8 und 9 wird bevorzugt eine Dotierungs­ konzentration an Kohlenstoff oder Beryllium von 1.10¹⁶ cm^-3 und 5.10¹⁹ cm^-3 verwendet.

Die Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung kann über die Zusammensetzung und den Aufbau der MQW-Struktur 1, sowie der Anpassungsschichten 17, 18 und der Barriere­ schichten 8, 9 eingestellt werden. Bevorzugte Materialien für die aktive Zone sind beispielsweise InGaAsP und AlGaInAs oder II-VI-Halbleiter, wie BeZnCdSe oder ZnCdSeTe.

Die Barriereschichten 8,9 bestehen insbesondere bei einer In- GaAs/GaAs aufweisenden MQW-Struktur vorzugsweise aus AlGaAs, wobei der Al-Gehalt zwischen 10 und 50% liegt. Für die Anpas­ sungsschichten 17, 18 wird AlGaAs mit einer linearen Variation des Al-Gehalts von 0% bis beispielsweise 50% verwendet, je nachdem welchen Al-Gehalt die angrenzenden Schichten aufwei­ sen. Die Pufferschicht 13 und die Zwischenschichten 14 und 19 bestehen in diesem bevorzugten Beispiel aus GaAs und die Zwi­ schenschichten 15 und 16 aus AlGaAs. Als Kontaktschicht für die elektrischen Kontakte 20, 21 ist beispielsweise eine Au/Ge- oder Ti/Pt/Au-Schichtenfolge verwendet.

Zur Injektion von Ladungsträgern in die aktive Zone wird an die elektrischen Kontakte 20,21 eine elektrische Spannung an­ gelegt, in der Art, daß der p-i-n-Übergang der aktiven Zone in Vorwärtsrichtung gepolt ist. Hierbei wird in den Ausfüh­ rungsbeispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ein Elektronenstrom durch die n-leitende Oberseiten-Bragg-Reflektorschicht 2 bzw. 3 in die aktive Zone 1 erzeugt. Aus dem gegenüberliegenden Unterseitenkontakt 21 werden bei dieser Polung Elektronen ab­ gezogen. Für die Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 3 und Fig. 4 erfolgt der Stromtransport in entgegengesetzter Richtung.

Im Bereich der hochdotierten, entarteten Übergangsschichten 10 und 11, die unterschiedlichen Leitungstyp besitzen, liegt eine Rückwärtspolung des dadurch gebildeten pn-Übergangs vor, wodurch Elektronen in dem sich dort aufbauenden hohen elek­ trischen Feld aus der ersten hochdotierten, entarteten Über­ gangsschicht 11 in die zweite hochdotierte, entartete Über­ gangsschicht 10 gezogen werden, was einem effektiven Löcher­ strom entspricht. Hierbei beträgt für die erste hochdotierte, entartete Übergangsschicht 11 die Dicke bevorzugt zwischen 5 nm und 200 nm und die Dotierung für n-Leitung als ersten Lei­ tungstyp zwischen 1.10¹⁷ cm^-3 und 1.10²¹ cm^-3 für p-Leitung als ersten Leitungstyp zwischen 1.10¹⁷ cm^-3 und 1.10²¹ cm^-3. Die Dicke der zweiten hochdotierten entarteten Übergangsschicht 10 liegt vorzugsweise zwischen 5 nm und 200 nm und die Dotie­ rung in dieser Schicht für n-Leitung als zweiten Leitungstyp zwischen 1.10¹⁷ cm^-3 und 1.10²¹ cm^-3, für p-Leitung als zweiten Leitungstyp zwischen 1.10¹⁷ cm^-3 und 1.10²¹ cm^-3. Zur Anpassung der Dotierstoffkonzentrationen und Ladungsträgerpotentiale sind neben den hochdotierten, entarteten Übergangsschichten 10, 11 auch Zwischenschichten 14, 15 verwendet, wobei die Do­ tierung in der Zwischenschicht 14 vom gleichen Leitungstyp ist, wie in der ersten hochdotierten, entarteten Schicht 11 und die Dotierung der Zwischenschicht 15 vom gleichen Lei­ tungstyp ist, wie die zweite hochdotierte, entartete Über­ gangsschicht 10. Unter Umständen kann zwischen der zweiten hochdotierten, entarteten Übergangsschicht 10 und der ersten hochdotierten, entarteten Übergangsschicht 11 eine dünne Zwi­ schenschicht eingebracht sein, die entweder vom ersten Lei­ tungstyp, vom zweiten Leitungstyp oder undotiert ist. Zur Einstellung der n-Leitung ist vorzugsweise Si als Dotierstoff verwendet, für p-Leitung kann vorzugsweise Kohlenstoff oder Beryllium als Dotierstoff verwendet sein. Als Materialien für die hochdotierten, entarteten Schichten 10, 11 werden vorzugs­ weise Halbleitermateralien verwendet, die eine geringe Band­ lücke und eine geringe effektive Ladungsträgermasse besitzen, insbesondere beispielsweise InGaAsP, InGaAlSb, InGaAlAs oder InGaAlP.

Die Anzahl, Dotierstoffkonzentration, Schichtdicke und Zusam­ mensetzung der Zwischenschichten 14, 15, 16, 17, 18 kann in ab­ weichenden Ausführungsbeispielen variieren, wobei darauf zu achten ist, daß die Potentialbarriere zwischen den hochdo­ tierten, entarteten Schichten 10, 11 dünn bleibt und somit von Ladungsträgern leicht durchdrungen werden kann und daß die Schichtdicken und Brechungsindizies der Zwischenschichten 14, 15, 16, 17, 18 sowie der hochdotierten Schichten 10, 11, der Barriereschichten 8, 9 und der aktiven Zone 1 so gewählt ist, daß sie konstruktiv zum Reflexionsvermögen der beiderseiti­ gen Bragg-Reflektorschichten 2, 3 und zur Maximierung der In­ tensität der elektromagnetischen Welle am Ort der aktiven Zo­ ne 1 beitragen.

Die Beschreibung der Art und Funktion der einzelnen Schichten in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bauelement gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 kann mit entsprechender Indizierung der Schichtnummern auf die Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 2 bis 4 übertragen werden.

Die Beschreibung des erfindungsgemäßen optoelektronischen Halbleiterbauelements anhand der Ausführungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele zu verstehen. Erfindungsgemäße VCSEL können ebenso auf der Basis anderer Halbleitermateria­ lien ausgebildet sein, wie z. B. GaAs, InAs, AlAs, GaN, AlN, InN, GaP, InP, AlP, GaSb, InSb, AlSb und auf diesen binären Verbindungen basierende Mischkristallsysteme, sowie ZnSe, CdSe, MgSe, BeSe, HgSe, ZnS, CdS, MgS, BeS, HgS, ZnTe, CdTe, MgTe, BeTe, HgTe, und daraus gebildete Mischkristallsysteme. Geeignete Materialien für das Substrat 12 sind beispielsweise Si, Ge, GaAs, InAs, InGaAs, GaP, InP, Al₂O₃, SiC,CdTe, CdZnTe, ZnO oder ZnSe.

Claims (11)

1. Optoelektronisches Bauelement mit mindestens einem zur Er­ zeugung elektromagnetischer Strahlung (22) geeigneten Halb­ leiterkörper (24),
bei dem über einem Halbleitersubstrat (12) mindestens eine aktive Zone (1) angeordnet ist,
innerhalb der bei Stromfluß durch den Halbleiterkörper (24) die elektromagnetische Strahlung (22) erzeugt wird und die zwischen mindestens einer ersten Spiegelschicht (2) und mindestens einer zweiten Spiegelschicht (3) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste (2) und die zweite Spiegelschicht (3) Halblei­ termaterial eines ersten Leitungstyps aufweisen und daß zwi­ schen der aktiven Zone (1) und einer der beiden Spiegel­ schichten (2, 3) mindestens eine erste hochdotierte Übergangs­ schicht (11) des ersten Leitungstyps und mindestens eine zweite hochdotierte Übergangsschicht (10) eines zweiten Lei­ tungstyps angeordnet sind, derart, daß die zweite hochdotier­ te entartete Übergangsschicht (10) zwischen der aktiven Zone (1) und der ersten hochdotierten entarteten Übergangsschicht (11) liegt.

2. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (11) und die zweite hochdotierte Übergangs­ schicht (10) entartete Halbleitermaterialien aufweisen.

3. Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierstoffkonzentration in der ersten (11) und der zweiten hochdotierten Übergangsschicht (10) < 1.10¹⁷ cm^-3 ist.

4. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (2) und die zweite Spiegelschicht (3) als Bragg-Reflektorschichten ausgebildet sind.

5. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelschichten (2, 3) n-leitend oder p-leitend do­ tiert sind.

6. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der ersten hochdotierten Übergangsschicht (11) und der zweiten hochdotierten Übergangsschicht (10) ausgebil­ deter pn-Übergang derart angeordnet ist, daß er im Betrieb des Bauelements in Sperrichtung gepolt ist.

7. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Spiegelschichten (2, 3) eine geringere Re­ flektivität aufweist als die andere und daß der Spiegel­ schicht (2, 3) mit der geringeren Reflektivität eine zumindest für einen Teil der elektromagnetischen Strahlung (22) durch­ lässige Kontaktschicht (20, 21) zugeordnet ist, derart, daß die elektromagnetische Strahlung (22) im Wesentlichen durch die Spiegelschicht (2, 3) mit der geringeren Reflektivität und durch die Kontaktschicht (20, 21) hindurch auskoppelbar ist.

8. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (22) durch einen transparenten oder mit einer Austrittsöffnung (23) versehenen Kontakt (20) hindurch an der dem Substrat (12) gegenüberliegenden Seite des Halb­ leiterkörpers (24) ausgekoppelt wird.

9. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (22) durch ein transparentes Substrat (12) und einen transparenten oder mit einer Austrittsöffnung (23) versehenen Kontakt (21) oder durch eine Ausnehmung (23) im Substrat (12) hindurch aus dem Halbleiterkörper (24) ausge­ koppelt wird.

10. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Spiegelschichten (2, 3) monolithisch während des Herstellungsprozesses des Halbleiterkörpers auf­ gebracht ist.

11. Optoelektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Spiegelschichten (2, 3) in hybrider Technik nach der Herstellung des Halbleiterkörpers (24) auf­ gebracht ist.