DE19839088A1

DE19839088A1 - Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung

Info

Publication number: DE19839088A1
Application number: DE1998139088
Authority: DE
Inventors: Rainer Hoevel; Hans Peter Gauggel; Karlheinz Gulden
Original assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Current assignee: AVALON PHOTONICS LTD., ZUERICH, CH
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-08-28
Also published as: DE19839088B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, insbesondere eine VCSEL-Diode, wobei die Temperaturerfassung eine Messung des elektrischen Widerstands des aktiven Bereichs der lichtemittierenden VCSEL-Diode oder einer neben der eigentlichen lichtemittierenden VCSEL-Diode vorgesehenen Dummy-VCSEL-Diode umfaßt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemis sionsvorrichtung, die zur Emission von Licht in einem vorbestimmten Wellenlängen bereich geeignet ist, mit wenigstens einer ersten und zweiten Elektrode, einer an die beiden Elektroden gekoppelten aktiven Halbleiterschicht zur Lichterzeugung, wobei über die beiden Elektroden ein elektrischer Strom in die aktive Schicht einbringbar ist, und einem Temperaturfühler. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine oberflächenemittierende Laserdiode mit zur Oberfläche des Substrats senkrecht an geordnetem Resonator (VCSEL-Diode). Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Temperaturstabilisierung einer derartigen Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung.

Bei derartigen VCSEL-Dioden ist aufgrund ihrer definierten und mit den bekannten halbleitertechnischen Fertigungsverfahren kontrolliert steuerbaren Schichtstruktur die Wellenlänge der Lichtemission sehr genau einstellbar. Daher sind VCSEL-Dioden be sonders geeignet für wellenlängensensitive Anwendungen. Da die Emissionswellen länge jedoch temperaturabhängig ist, ist zur Verbesserung der Wellenlängencharak teristik eine Temperaturregelung erforderlich. Nach dem Stand der Technik erfolgte die Temperaturstabilisierung durch einen zusätzlichen Temperatursensor, der im oder am Gehäuse, in dem die VCSEL-Diode untergebracht ist, befestigt ist. Dies ist mit ei nem zusätzlichen Verpackungsaufwand verbunden und verursacht daher zusätzliche Kosten. Zudem kann je nach thermischer Ankopplung des Sensors an das Gehäuse die Empfindlichkeit des Sensors und das Ansprechverhalten auf Temperaturänderun gen schwanken. Daher weisen bekannte temperaturstabilisierte VCSEL-Dioden noch eine relativ große, temperaturbedingte Schwankungsbreite in der Emissionswellen länge auf.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Temperatur stabilisierung für lichtemittierende Halbleitervorrichtungen, insbesondere VCSEL- Dioden, zu schaffen, durch die eine temperaturbedingte Schwankungsbreite in der Wellenlänge des Emissionslichts weiter reduziert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine temperaturstabilisierte, lich temittierende Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art, insbesondere eine VCSEL-Diode mit zur Oberfläche des Substrats senkrecht angeordnetem Resonator, die sich dadurch auszeichnet, daß als Temperaturfühler die aktive Halbleiterschicht verwendet wird, deren momentaner elektrischer Widerstand von der Temperatur ab hängt und zur Erzeugung eines elektrischen Signals dient.

Durch die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird jegliche Verfälschung der Temperaturerfassung ausgeschlossen, da der aktive Bereich der VCSEL-Diode selbst als Temperatursensor verwendet wird und somit die Temperatur unmittelbar an der Stelle erfaßt wird, wo die Lichtemission, deren Wellenlänge wiederum von der lokalen Temperatur abhängig ist, auftritt. Daher kann augenblicklich ohne jegliche Zeitverzö gerung auf Temperaturschwankung der VCSEL-Diode reagiert werden, im Gegensatz zum Stand der Technik, gemäß dem bei Erwärmung der aktiven Zone durch den Be trieb der VCSEL-Diode und den damit einhergehenden Stromfluß durch die aktive Zone unumgänglich Verzögerungszeiten auftreten, bis aufgrund der Wärmeausbrei tung die Temperaturerhöhung am Ort des Temperatursensors feststellbar ist.

Die Erfindung besitzt weiter den Vorteil, daß keinerlei zusätzliche Temperaturmeßge räte auf dem Halbleitersubstrat, auf dem die VCSEL-Diode ausgebildet ist, integriert werden müssen. Dies bietet neben einer Kostenersparnis auch den großen Vorteil ei ner Platzersparnis, was insbesondere bei Anordnung einer Vielzahl von VCSEL- Dioden in einem Feld mit der entsprechenden elektrischen Verdrahtung und Ansteue rungselektronik zum Tragen kommt.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Peltier-Element vorgesehen, das auf das elektrische Signal als Ergebnis der Temperaturerfassung anspricht, um Wärme in der Nähe der VCSEL-Diode zuzuführen bzw. abzuführen, um die Tempera tur konstant zu halten. Peltier-Elemente sind hierfür insbesondere vorteilhaft, da sie sich unter Verwendung von halbleitertechnologischen Fertigungsmethoden in großer Nähe zu der temperaturmäßig zu stabilierenden VCSEL-Diode integrieren lassen.

Erfindungsgemäß wird die obengenannte Aufgabe gemäß einem zweiten Aspekt weiter gelöst durch eine temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung der eingangs genannten Art, die sich gemäß dieser zweiten Lösung dadurch aus zeichnet, daß der Temperaturfühler eine neben der Halbleiter-Lichtemissionsvorrich tung auf demselben Substrat integrierte zweite Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung umfaßt, und daß die aktive Halbleiterschicht der zweiten Halbleiter-Lichtemissions vorrichtung, deren momentaner elektrischer Widerstand von der Temperatur abhängt, zur Erzeugung eines elektrischen Signals dient.

Diese zweite erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine äußerst genaue Erfassung der Temperatur im aktiven Bereich der lichtemittierenden Halbleitervorrichtung durch Simulation der Bedingungen im aktiven Bereich der eigentlichen lichtemittierenden Halbleitervorrichtung mittels einer zweiten lichtemittierenden Halbleitervorrichtung. Diese zweite lichtemittierende Halbleitervorrichtung läßt sich aufgrund der herstel lungstechnischen Bedingungen mit größter Genauigkeit auf identische Weise zu der ersten lichtemittierenden Halbleitervorrichtung, deren Temperatur zu stabilisieren ist, realisieren. Diese Lösung weist den Vorteil auf, daß die zweite lichtemittierende Halb leitervorrichtung im optimalen Meßbereich betreibbar ist, während die erste lichtemit tierende Halbleitervorrichtung unabhängig davon zur Erzielung der gewünschten Lichtemission betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß wird zur Temperaturstabilisierung einer Halbleiter-Lichtemissions vorrichtung der zuvor genannten Art mit einer zusätzlich zu der eigentlichen Halblei ter-Lichtemissionsvorrichtung auf demselben Substrat integrierten zweiten identischen Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung in diese ein Diodenstrom eingeprägt, der gerin ger ist als ein Schwellwertstrom zur Erzeugung der stimulierten Lichtemission aus der zweiten Halbleiterlichtemissionvorrichtung. Damit ist es insbesondere möglich, die Temperaturmessung mit der zweiten Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung durchzufüh ren, ohne daß zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind, eine störende Lichtemission aus der zweiten Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung zu unterbinden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer VCSEL-Diode;

Fig. 2 ein Beispiel einer elektrischen Regelungsschaltung zur Temperaturstabili sierung der VCSEL-Dioden;

Fig. 3 ein IV-Kennlinienfeld einer VCSEL-Diode für unterschiedliche Temperatu ren; und

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Temperaturabhängigkeit der Spannung über der VCSEL-Diode in Abhängigkeit vom Diodenstrom.

In Fig. 1 ist eine herkömmliche VCSEL-Diode schematisch im Querschnitt gezeigt.

Die gezeigte VCSEL-Diode wird durch einen spezifischen Schichtstapel von in ihrem Brechungsindex bzw. ihrer Bandlückenenergie sich einander unterscheidenden Halbleiterschichten realisiert. Die VCSEL-Diode besitzt eine aktive Schicht 12, die zwischen zwei Potentialbarrierenschichten 13 und 14 mit höherer Bandlückenenergie angeordnet ist. In der aktiven Schicht 12 findet größtenteils die Umwandlung elektri scher Energie in Licht statt. Zur Realisierung eines Laserresonators ist unterhalb der aktiven Schicht 12 eine Serie von Schichten 16 mit wechselndem Brechungsindex zur Erzielung eines Braggspiegels realisiert. In gleicher Weise ist oberhalb der aktiven Schicht 12 eine Serie von Schichten 18 zur Erzielung eines zweiten Braggspiegels angeordnet. Der obere Braggspiegel 18 ist beispielsweise mittels einer Mesa-Ätzung zurückgeätzt zur Erzielung einer säulenartigen Struktur. Über der obersten Schicht und der Mesasäule des Braggspiegels 18 ist eine Isolations- und Schutzschicht 20 vorgesehen, wobei ein Emissionsfenster 24 über dem oberen Braggspiegel 18 freige lassen ist. Über der Isolations- und Schutzschicht 20 ist eine elektrisch leitende Schicht 22 zur Kontaktierung des oberen Braggspiegels 18 angeordnet. Die Metall schicht 22 greift über die Isolations- und Schutzschicht 20 hinaus, läßt aber gleichwohl im wesentlichen das Emissionsfenster 24 frei. Die Schichtstapel sind auf einem Substrat 26 angeordnet, das an seiner Rückseite eine zweite Elektrode 28 aufweist. Die Dickenverhältnisse der einzelnen Schichten entsprechend in der schematischen Skizze nicht den wahren Verhältnissen. Der Stromfluss durch die VCSEL-Diode gemäß der Fig. 1 erfolgt im wesentlichen zwischen der oberen Metallschicht 22, die den Braggspiegel 18 im Bereich des Emissionsfensters 24 kontaktiert, und der Rück seitenelektrode 28.

Ein Herstellungsverfahren für eine oben beschriebene herkömmliche VCSEL-Diode ist beispielsweise in der Veröffentlichung von K. H. Gulden, M. Moser, S. Lüscher "High performance deep red AlAs/AlGaAs VCSELs for applications in sensing", SPIE proc. Vol. 2682, 125 bis 135 (1996) ausführlich offenbart.

In Fig. 2 ist eine Schaltskizze für eine Regelelektronik gezeigt, mit der ein Peltier- Element zur Temperaturzufuhr bzw. -abfuhr in Erwiderung auf die durch die VCSEL- Diode ermittelte Temperatur ansteuerbar ist.

In der in der Fig. 2 gezeigten Schaltskizze ist eine als Temperatursensor dienende VCSEL-Diode 40 an ihrer Eingangsseite mit einer Konstantstromquelle 42 ver bunden. Ausgangsseitig steht die VCSEL-Diode 40 mit einer Kühl- bzw. Heizvor richtung 44, insbesondere einem Peltierelement, in Verbindung. Das Peltierele ment 44 steht wiederum mit dem Ausgang eines als Kompensator bzw. Fehler verstärkers verschalteten Operationsverstärkers 46 in Verbindung. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 46 ist mit dem Ausgang der Konstantstrom quelle verbunden, während der negative Eingang mit einer Referenzspannung, die einen Sollwert der Spannung bereitstellt, in Verbindung steht. Der Operations verstärker ist weiter mit einer Versorgungsspannung 50 und dem Massepotential 48 verbunden.

In der in der Fig. 2 gezeigten Schaltung vergleicht der Operationsverstärker 46 den Istwert der Spannung an der VCSEL-Diode mit einem von der Referenzspan nungsquelle 52 bereitgestellten Sollwert. Bei Temperaturanstieg, d. h., bei einer Abnahme der an der VCSEL-Diode abfallenden Spannung bei gleichem Strom (vgl. Fig. 3) gibt der Operationsverstärker 46 ein verstärktes invertiertes Signal an das Peltierelement 44 aus, das aufgrund des negativen Signals nunmehr als Kühlelement wirkt. Umgekehrt wirkt das Peltierelement bei Temperaturabfall, d. h. bei erhöhter Spannung bei konstantem Strom an der VCSEL-Diode 40, und die Istspannung die Sollspannung übersteigt, aufgrund des nunmehr positiven Rück kopplungssignals aus dem Operationsversträker 46 als Heizelement.

Die Erfindung nutzt die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands für ei ne Halbleiterdiode aus. Anhand der idealen Diodenkennlinie erkennt man, daß in die Temperaturabhängigkeit des Diodenstroms sowohl die Bandlücke des Halbleiterma terials als auch die angelegte Spannung eingeht.

J stellt hier den Diodenstrom, J_s den Sperrstrom, E_g die Bandlückenenergie des Halbleitermaterials, K die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur, q die Ele mentarladung und V die angelegte Spannung dar.

Aus der oben angegebenen Diodengleichung ist es allerdings nicht ohne weiteres möglich, die Temperaturabhängigkeit in geschlossener Form wiederzugeben. Die Temperaturabhängigkeit soll daher anhand des in Fig. 3 gezeigten IV-Kennlinienfelds für verschiedene Temperaturen für eine VCSEL-Diode mit einer Emissionswellenlän ge von ca. 760 nm gezeigt werden. Wie man deutlich erkennt, liegt insbesondere bei höheren Diodenströmen eine deutliche Temperaturabhängigkeit der Diodenspannung vor.

In Fig. 4 ist die Temperaturabhängigkeit der Spannung, nämlich der Quotient aus Temperatur und Spannung für verschiedene Diodenströme aufgetragen. Im Bereich zwischen 2,5 und 4 mA des Diodenstroms ist ein Einbruch in der Temperaturabhän gigkeit der Spannung zu erkennen, der durch das Einsetzen der stimulierten Lichte mission bedingt ist. Aus dieser Kurve ist wiederum die deutliche Temperaturabhän gigkeit der Diodenspannung, die mit zunehmendem Diodenstrom ansteigt, ersichtlich.

Aus den Darstellungen der Fig. 3 und 4 ist abzulesen, daß die Spannungsände rung als Funktion der Temperatur im Bereich von einigen Millivolt pro Grad Kelvin liegt. Da Spannungsänderungen im Mikrovoltbereich problemlos detektierbar sind, bedeutet dies, daß Temperaturänderungen im Millikelvinbereich detektierbar sind.

Die erfindungsgemäße Temperaturmessung durch Widerstandsmessung im aktiven Bereich der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung schafft daher eine nach dem Stand der Technik nicht erreichbare Genauigkeit. Dies wird noch dadurch verstärkt, daß die Temperaturmessung am Ort der Lichtemission oder in unmittelbarer Nähe dazu durchgeführt, so daß nunmehr die Lichtemissionswellenlänge, die von der Temperatur am Ort der Lichtemission abhängt, auf genaueste Weise kontrolliert werden kann.

Erfindungsgemäß ist es einerseits möglich, daß die Halbleiter-Lichtemissions vorrichtung, deren Temperatur zur Konstanthaltung der Emissionswellenlänge stabili siert werden soll, selbst als Meßsensor verwendet wird, indem die über den Elektro den anliegende Spannung und der dazwischen fließende Strom exakt gemessen werden.

Andererseits ist es technisch problemlos möglich, zwei VCSEL-Dioden oder Felder von VCSEL-Diodenpaaren mit identischen Größenverhältnissen und Eigenschaften herzustellen. Die planare Integration mittels üblichen halbleitertechnischen Herstel lungsverfahren, wie Standardphotolithografieverfahren, MBE- und MOVPE-Schicht aufbringungsverfahren, etc. garantiert eine hohe Parallelität des Herstellungsprozes ses für die einzelnen VCSEL-Dioden. Daher ist es möglich, neben der VCSEL-Diode, deren Temperatur zur Konstanthaltung der Lichtemission stabilisiert werden soll, eine weitere individuell ansteuerbare VCSEL-Diode zu integrieren. Diese zweite VCSEL- Diode dient hierbei als Temperatursensor. Durch Messung der Spannungsänderun gen der bei konstantem Strom betriebenen VCSEL-Temperatursensor-Diode lassen sich die Temperaturänderungen exakt, wie oben angegeben, im Millikelvinbereich bestimmen.

Für viele Anwendungen kann es sinnvoll sein, eine Lichtemission der hauptsächlichen Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtungen, deren Temperatur zu stabilisieren ist, nicht durch eine zusätzliche Lichtemission durch die als Temperatursensor dienende Halb leiter-Lichtemissionsvorrichtung, die in Form von spontaner Emission bei Betrieb der VCSEL-Diode unterhalb der Schwelle und in Form von stimulierter Emission oberhalb der Schwelle auftreten kann, zu stören. Daher wird die als Temperatursensor dienen de VCSEL-Diode mit einer lichtundurchlässigen Schicht wenigstens im Bereich der Lichtemission an ihrer Oberseite abgedeckt, beispielsweise durch eine Metallschicht. Alternativ zu einer Abdeckung der Lichtemissionsfläche wäre es möglich, daß die zweite, als Temperatursensor dienende VCSEL-Diode unterhalb der Lichtemissions schwelle bei konstantem Strom betrieben wird. Damit ist es möglich, einerseits die hauptsächliche VCSEL-Diode unter Abstrahlung einer definierten Lichtintensität bei konstant gehaltener Wellenlänge aufgrund der Temperaturstabilisierung zu betreiben, während unmittelbar daneben die Temperatur mit Hilfe der benachbarten VCSEL- Diode gemessen wird. Mit Hilfe einer einfachen Regelelektronik, wie sie beispielswei se in Fig. 2 gezeigt ist, und einem zusätzlichen integrierten Peltier-Element kann damit die Temperatur der hauptsächlichen lichtemittierenden VCSEL-Diode stabilisiert und von Schwankungen der Umgebungstemperatur unabhängig gemacht werden.

Obwohl die vorliegende Beschreibung sich hauptsächlich auf VCSEL-Dioden bezieht, ist das Prinzip dieser Erfindung ebenso gut auf kantenemittierende Halbleiterlaser anwendbar.

Claims

1. Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, insbesondere von der Substratoberfläche emittierende Halbleiter-Laserdiode (10) mit senkrecht zur Substratoberfläche angeordnetem Resonator (16, 18), die zur Emission von Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich geeignet ist, mit:
wenigstens einer ersten und zweiten Elektrode (22, 28),
einer an die beiden Elektroden gekoppelten aktiven Halbleiterschicht (12) zur Lichterzeugung,
wobei über die beiden Elektroden ein elektrischer Strom in die aktive Schicht ein bringbar ist, und
einem Temperaturfühler (40), dadurch gekennzeichnet, daß
als Temperaturfühler (40) die aktive Halbleiterschicht verwendet wird, deren mo mentaner elektrischer Widerstand von der Temperatur abhängt und zur Erzeu gung eines elektrischen Signals dient.

2. Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungs- und Stromsensor zum Messen der Spannung über den beiden Elektroden und des dazwischen fließenden Stroms vorgesehen sind.

3. Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß weiter eine Temperaturregelvorrichtung vorgesehen ist zur Regelung einer Wärmezufuhr oder -abfuhr in Erwiderung auf das elektrische Signal.

4. Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelvorrichtung ein Peltier- Element (44) umfaßt.

5. Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung, insbesondere von der Substratoberfläche emittierende Halbleiter-Laserdiode (10) mit senkrecht zur Substratoberfläche angeordnetem Resonator (16, 18), die zur Emission von Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich geeignet ist, mit:
wenigstens einer ersten und zweiten Elektrode (22, 28),
einer an die beiden Elektroden gekoppelten aktiven Halbleiterschicht (12) zur Lichterzeugung,
wobei über die beiden Elektroden ein elektrischer Strom in die aktive Schicht ein bringbar ist, und
einem Temperaturfühler, dadurch gekennzeichnet, daß
der Temperaturfühler eine neben der Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung auf demselben Substrat integrierte zweite Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung (50) umfaßt, und daß die aktive Halbleiterschicht der zweiten Halbleiter- Lichtemissionsvorrichtung, deren momentaner elektrischer Widerstand von der Temperatur abhängt, zur Erzeugung eines elektrischen Signals dient.

6. Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der zweiten Halbleiter-Licht emissionsvorrichtung in einem Lichtemissionsbereich mit einer lichtundurchlässi gen Schicht überzogen ist.

7. Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungs- und Stromsensor zum Messen der Spannung über den beiden Elektroden und des dazwischen fließen den Stroms vorgesehen sind.

8. Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß weiter eine Temperaturregelvorrichtung vorgesehen ist zur Wärmezufuhr oder -abfuhr in Erwiderung auf das elektrische Signal.

9. Temperaturstabilisierte Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturregelvorrichtung ein Peltier- Element (44) umfaßt.

10. Verfahren zur Temperaturstabilisierung einer Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Di odenstrom in die zweite Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung (50) eingeprägt wird, der geringer ist als ein Schwellwertstrom zur Erzeugung der stimulierten Lichtemission aus der zweiten Halbleiter-Lichtemissionsvorrichtung.