DE19954343A1

DE19954343A1 - Oberflächenemittierende Laserdiode

Info

Publication number: DE19954343A1
Application number: DE1999154343
Authority: DE
Inventors: Markus Christian Amann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2001-05-23

Abstract

Bei der erfindungsgemäßen Laserdiosde ist in einer Confinementschicht, vorzugsweise der p-leitend dotierten Confinementschicht, ein lateral strukturierter Tunnelkontakt eingebaut, der eine Stromzuführung durch Stromanschluß an eine entgegengesetzt dazu dotierte weitere Confinementschicht auf einen schmalen Bereich entsprechend einer vorgesehenen Wellenführung begrenzt. Dieser strukturierte Tunnelkontakt ist vorzugsweise aus Halbleitermaterial mit möglichst niedrigem Bandabstand und hoher Dotierungskonzentration ausgebildet und in einem Minimum der vorgesehenen stehenden Resonatormode angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine oberflächenemittie rende Laserdiode mit vertikalem Resonatorhohiraum (VCSEL).

Die niederohmige Stromzuführung und seitliche Wellenführung stellen schwierige technologische Probleme bei der Herstel lung von oberflächenemittierenden Laserdioden (vertical cavi ty surface emitting laser, VCSEL) dar. Dabei erweist sich die p-leitend dotierte Seite der Halbleiterschichtstruktur als besonders kritisch, insbesondere wenn die Stromzufuhr durch lateral angebrachte Kontakte erfolgt. Laterale Kontakte sind zum Beispiel bei der Verwendung von dielektrischen Spiegeln zur Erzeugung der Resonanzbedingung nötig. Das führt zu hohen Serienwiderständen und entsprechender Erwärmung der Diode, wodurch die maximale Lichtleistung und die Betriebstemperatur beschränkt werden. Eine seitliche Wellenführung ist erforder lich, um definierte Wellenformen (Moden) anzuregen und kleine Bauelementstrukturen und damit niedrige Schwellenströme rea lisieren zu können.

Bisher wurde zur seitlichen Wellenführung und lateral be grenzten Stromeinprägung zumeist eine blendenartige Struktur aus einer selektiv oxidierten, aluminiumhaltigen Schicht in nerhalb der p-dotierten Confinementschicht verwendet (siehe zum Beispiel D. G. Deppe et al.: "Low-Threshold Vertical- Cavity Surface-Emitting Lasers Based on Oxide-Confinement and High Contrast Distributed Bragg Reflectors" in Journal of Se lected Topics in Quantum Electronics 3, 893-904 (1997)). Die Oxidblende löst zwar das Problem der lateralen Strom- und Wellenführung, ergibt aber keine niederohmigen Strompfade auf der p-leitend dotierten Seite der Diode. Durch den Einsatz großflächiger, vergrabener Tunnelkontakte oberhalb der oxi dierten Schicht, kann die seitliche Stromzuführung über nie derohmigen-leitend dotierte Schichten erfolgen. Der techno logische Aufwand ist dabei aber verhältnismäßig groß und die bisher erzielten Ergebnisse bei GaAs/AlGaAs-VCSEL im Wellen längenbereich von 1 µm zeigen noch hohe Kontaktwiderstände in den Tunnelkontakten, wodurch die erreichten Vorteile teilwei se wieder verlorengehen (siehe hierzu die Veröffentlichung von J. J. Wierer et al.: "Lateral electron current operation of vertical cavity surface emitting lasers with buried tunnel contact hole sources" in App. Phys. Lett. 71, 3468-3470 (1997)).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine oberflächen emittierende Laserdiode mit Vertikalresonator anzugeben, die eine höhere Lichtausbeute bei geringerer Erwärmung ermög licht.

Diese Aufgabe wird mit der Laserdiode mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den ab hängigen Ansprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Laserdiode ist in einer Confine mentschicht, vorzugsweise der p-leitend dotierten Confine mentschicht, ein lateral strukturierter Tunnelkontakt einge baut, der eine Stromzuführung durch Stromanschluß an eine entgegengesetzt dazu dotierte weitere Confinementschicht auf einen schmalen Bereich entsprechend einer vorgesehenen Wel lenführung begrenzt. Dieser strukturierte Tunnelkontakt ist vorzugsweise aus Halbleitermaterial mit möglichst niedrigem Bandabstand und hoher Dotierungskonzentration ausgebildet und in einem Minimum der vorgesehenen stehenden Resonatormode an geordnet. Die Diode kann somit auf beiden Seiten der aktiven Schicht über niederohmige n-Kontakte und n-leitend dotierte Confinementschichten elektrisch angeschlossen werden, wodurch sich geringe Serienwiderstände ergeben. Eine Oxidblende (zum Beispiel aus Aluminiumoxid) kann zusätzlich vorhanden sein, ist aber in der erfindungsgemäßen Struktur nicht erforder lich, was gerade bei langwelligen VCSEL im Materialsystem von InP von Vorteil ist.

Es folgt eine genauere Beschreibung eines Beispiels der er findungsgemäßen Laserdiode anhand der beigefügten Figur.

In der Figur ist eine erfindungsgemäße Halbleiterschicht struktur im Querschnitt dargestellt. Die für Strahlungserzeu gung vorgesehene aktive Schicht 1 befindet sich zwischen Con finementschichten 2, 3, 4. Auf der für den Lichtaustritt vor gesehenen Seite der aktiven Schicht ist zum Zwecke einer la teralen Wellenführung ein strukturierter Tunnelübergang vor handen, der durch zwei für elektrische Leitung zueinander entgegengesetzter Vorzeichen hoch dotierte Zwischenschichten 5, 6 gebildet ist. Reflektoren 7, 8, die als vertikal bezüg lich der Schichtebenen wirkende Resonatorendspiegel vorgese hen sind, sind in diesem Beispiel als Bragg-Reflektoren dar gestellt. Auf den Confinementschichten 2, 3 befinden sich elektrische Anschlüsse 9, 10. Für die Anschlüsse befinden sich metallische Kontakte mit niedrigen Übergangswiderständen zu dem Halbleitermaterial auf den in diesem Bereich ausrei chend hoch dotierten Confinementschichten.

Mit der angegebenen Strukturierung ergibt sich in etwa der Stromfluß, der mit gekrümmten Strompfaden 11 andeutungsweise eingezeichnet ist. Der nach oben weisende, nicht ausgefüllte Pfeil gibt die Richtung der austretenden Strahlung an. Mit Buchstaben n und p sind die bevorzugten Vorzeichen der Dotie rung angegeben. Ein Pluszeichen hinter dem Buchstaben gibt eine hohe Dotierungskonzentration an, die hier typisch ober halb von 10¹⁹ cm^-3, vorzugsweise oberhalb von 3 × 10¹⁹ cm^-3 (Dotierstoffatome pro Volumeneinheit) liegt. Die aktive Schicht 1 liegt im Bereich des pn-Überganges, an den sich der Tunnelübergang anschließt, der vorzugsweise im Bereich eines Minimums einer zwischen den Reflektoren 7, 8 einstellbaren stehenden Strahlungsmode angeordnet ist. Um ein Tunneln der Ladungsträger zu ermöglichen, muß die Dotierstoffkonzentrati on in den Zwischenschichten 5, 6 ausreichend hoch sein. Wegen der niedrigeren Dotierung der Confinementschichten 3, 4 be findet sich lateral zu dem Tunnelübergang ein pn-Übergang, der in der für eine anzulegende Spannung vorgesehenen Rich tung sperrt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann durch Einstellung der Schichtdicke der wenig absorbierenden oberen n-leitenden Schicht die Stärke der durch den strukturierten Tunnelüber gang erzeugten lateralen Wellenführung eingestellt werden. Dieser Aufbau ist daher prädestiniert für die ansonsten be sonders schwierig realisierbaren langwelligen VCSEL, da sich gerade bei deren Materialsystemen Kontaktschichten mit nied rigem Bandabstand einbauen lassen. Durchgeführte Messungen mit Tunnelkontakten aus p⁺-leitend und n⁺-leitend dotierten Zwischenschichten aus InGaAs ergaben auf Anhieb spezifische Kontaktwiderstände im Bereich von nur wenigen 10^-6 Ω cm². Die laterale Strukturierung des vergrabenen und als lateral begrenzter Kontakt fungierenden Tunnelübergangs wird zwar mittels einer Zweifachepitaxie hergestellt; der dafür erfor derliche Aufwand erscheint in Anbetracht der Vorteile der er findungsgemäßen Struktur insbesondere für langwellige VCSEL aber vollauf gerechtfertigt.

Claims

1. Laserdiode, die eine Halbleiterschichtstruktur aufweist und für eine bezüglich dieser Schichtstruktur vertikale Strahlungsemission vorgesehen ist (VCSEL),
die eine für Strahlungserzeugung vorgesehene aktive Schicht (1) aufweist, die zwischen elektrisch leitend dotierten Con finement-Schichten (2, 3, 4) eingeschlossen ist,
die elektrische Anschlüsse (9, 10) an diesen Confinement schichten besitzt und
die in vertikaler Richtung wirkende Reflektoren (7, 8) auf weist, die als Resonatorendspiegel vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der für einen Austritt der erzeugten Strahlung aus der Diode vorgesehenen Seite der aktiven Schicht (1) zwei Confi nementschichten (3, 4) unterschiedlichen Vorzeichens der Leitfähigkeit vorhanden sind,
zwischen diesen Confinementschichten ein Tunnelübergang vor handen ist, der durch zwei Zwischenschichten (5, 6) gebildet ist, die hoch für zueinander entgegengesetzte Vorzeichen der Leitfähigkeit dotiert sind, und
dieser Tunnelübergang durch laterale Strukturierung auf einen für eine Strominjektion vorgesehenen Bereich begrenzt ist.

2. Laserdiode nach Anspruch 1, bei der die elektrischen Anschlüsse durch Kontakte gebildet sind, die jeweils auf n-leitend dotierten Confinementschich ten (2, 3) aufgebracht sind.

3. Laserdiode nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Austritt der erzeugten Strahlung durch einen teildurchlässigen dielektrischen Reflektor (8) erfolgt und bei der ein elektrischer Anschluß (9) durch einen Kontakt ge bildet ist, der lateral zu dem Reflektor (8) auf einer Confi nementschicht (3) aufgebracht ist.

4. Laserdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei der der Tunnelübergang im Bereich eines Minimums einer zwischen den Reflektoren einstellbaren stehenden Strahlungs mode angeordnet ist und
bei der die Zwischenschichten (5, 6) ein Halbleitermaterial sind mit einem niedrigen Bandabstand und einer Dotierungskon zentration von mindestens 10¹⁹ cm^-3.