DE20113207U1 - Halbleiterlaser - Google Patents

Halbleiterlaser

Info

Publication number
DE20113207U1
DE20113207U1 DE20113207U DE20113207U DE20113207U1 DE 20113207 U1 DE20113207 U1 DE 20113207U1 DE 20113207 U DE20113207 U DE 20113207U DE 20113207 U DE20113207 U DE 20113207U DE 20113207 U1 DE20113207 U1 DE 20113207U1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
laser according
layer
distributed bragg
bragg reflector
type
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE20113207U
Other languages
English (en)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to US09/799,703 priority Critical patent/US20020126720A1/en
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE20113207U priority patent/DE20113207U1/de
Publication of DE20113207U1 publication Critical patent/DE20113207U1/de
Priority to JP2002004847U priority patent/JP3091855U/ja
Priority to CN 02242715 priority patent/CN2571034Y/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18386—Details of the emission surface for influencing the near- or far-field, e.g. a grating on the surface
    • H01S5/18394—Apertures, e.g. defined by the shape of the upper electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00—Functional characteristics
    • H01S2301/16—Semiconductor lasers with special structural design to influence the modes, e.g. specific multimode
    • H01S2301/166—Single transverse or lateral mode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18311—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement using selective oxidation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
    • H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterlaser, insbesondere oberflächenmittierende Halbleiterlaser mit vertikalem Hohlraum.
In den letzten Jahren sind oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSELs) [Koyama et al "Room-temperature continuous wave lasing characteristics of a GaAs vertical-cavity surface-10 emitting laser," Appl. Phys. Lett., Band 55, 221-222, 1989] wichtige Lichtquellen für verschiedene optische Kommunikations- und Speichersysteme aufgrund Ihrer einzigartigen Merkmale geworden, wie z.B. der niedrige Schwellenstrom, Einzel-Längsmode-Betrieb und wenig divergenter Strahl. Insbesondere 15 oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum mit
Dresdner Bank AG Hamburg 04 030 448 00 (BLZ 200 800 00) Postbank Hamburg 1476 07-200 (BLZ 200 100 20)
stabilem Einzelmode-Betrieb, die sowohl in einem einzelnen Längsmode als auch in einem einzelnen Quermode arbeiten, sind sehr wünschenswert für Hochgeschwindigkeitskommunikation über große Distanzen, um Dispersionswirkungen zu minimalisieren, für Wellenlängen-Aufteilungs-Multiplexsysterne (wavelengthdivision-multiplex, WDM) um Übersprechen zwischen Kanälen zu vermeiden, und für optische Speicher- und Drucksysteme, um ein einziges kreisförmiges Muster zu erhalten. Hier wird der stabile Einzelmode-Betrieb als ein Laserbetrieb mit einem einzelnen Mode definiert, der über den gesamten Ansteuerstrombereich oberhalb des Schwellenstroms aufrecht erhalten werden kann. Die oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum arbeiten typischerweise in einem einzigen Längsmode aufgrund ihrer eingebauten verteilten Bragg-Reflektoren (DBRs) und dem großen Modeabstand (30-40 nm) . Der einzelne Quermode ist jedoch schwieriger zu erzielen, da er entweder ein gutes Stromeingrenzungsschema in Querrichtung, um einen aktiven Bereich mit einzelnem Quermode mit einem Durchmesser, der normalerweise kleiner ist als ungefähr 5 &mgr;&igr;&agr;., oder eine optische Struktur im Hohlraum für Einzel-Quermodeauswahl erfordert. Im Stand der Technik zeigten nur sehr wenige Einrichtungen stabilen Einzelmode-Betrieb, obwohl verschiedene oberflächenemittierende Laserstrukturen mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) hergestellt worden sind. Der geätzte oberflächenemittierende Mesalaser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) [Jewell et al " Low threshold electrically pumped verticalcavity surface-emitting microlaser," Electron. Lett., Band 25, Seiten 1123-1125, 1989], der eine Mesastruktur verwendet, um den Injektionsstrom und das optische Feld einzugrenzen, arbeitet normalerweise im Multimode-Betrieb aufgrund der
starken indexgeführten Struktur. Der ionenimplantierte oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) [Geel et al "Low threshold planarized vertical-cavity surface-emitting lasers," IEEE Photon. Technol. Lett., Band 2, Seiten 234-236, 1990] mit aktiven Bereichen, die durch Ionenimplantation gebildet sind, kann einen Einzelmode-Betrieb nur bei niedrigeren Strompegeln aufrecht erhalten und zeigt Multimode-Betrieb bei höheren Strompegeln. Obwohl der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) mit einem passivem Gegenführungsbereich [Wu et al "High-yield processing and single-mode operation of passive antiguide region vertical-cavity lasers", IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., Band 3, Seiten 429-434, 1997] in einem stabilen Einzelmode arbeiten kann, ist die Herstellung der Einrichtung, die ein Umkristallisieren erfordert, komplizierter. Der oxidbegrenzte oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) [Grabherr et al "Efficient single-mode oxide-confined GaAs VCSEL's emitting in the 850 nm wavelength regime," IEEE Photon. Technol. Lett. Band 9, Seiten 1304-1306, 1997] erfordert einen Oxidationsvorgang, um eine AlAs-Schicht in eine AlOx-Schicht umzuwandeln, die einen aktiven Bereich mit weniger als 3 &mgr;&idiagr;&eegr; Durchmesser bildet, um stabilen Einzelmode-Betrieb zu erhalten. Diese Laserstruktur erfordert eine sehr kritische Kontrolle sowohl beim Aufwachsen der Epitaxialschicht, um die AlOx-Schicht vertikal nahe zu einem Knotenpunkt der optisch entstehenden Welle zu positionieren, als auch beim Oxidationsvorgang, um die AlAs-Schicht seitlich zu einer gewünschten Länge im Bereich von ungefähr 1 &mgr;&eegr;&agr; Genauigkeit zu oxidieren. Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum mit einer geätzten Oberfläche auf der
Oberseite [Unold et al "Increased-area oxidized singlefundamental mode VCSEL with self-aligned shallow etched surface relief," Electron. Lett., Band 35, Seiten 1340-1341, 1999], kann, um Modes höherer Ordnung zu unterdrücken, Einzelmode-Betrieb nur bei bis zum Fünffachen des Schwellenstromes ausführen, er erfordert auch eine kritische Kontrolle der
geätzten Tiefe innerhalb eines Bereiches von 50 nm (0,05 &mgr;&idiagr;&eegr;) Derselbe Erfinder zeigte kürzlich, daß ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum mit einem oberen selektiv ungeordneten Spiegel, der durch Zink(Zn)-Diffusion durch den gesamten (100%) oberen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) gebildet ist, [Dziura, T.G. Yang, Y. J., et al "Single mode surface emitting laser using partial mirror disordering," Electron. Lett., Band 29, Seiten 1236-1237, 1993] stabilen Einzelmode-Betrieb aufrecht erhalten kann; die Einrichtung leidet jedoch unter großem optischen Verlust aufgrund der großen Lochkonzentration im dicken Zn-Diffusionsbereich (> 3 um), was zu einem höheren Schwellenstrom und einer sehr niedrigen Ausgangsleistung (< 0,25 mW) führt, was für prakti-0 sehe Verwendungen unzureichend ist. Alle vorgenannten oberflächenemittierenden Laserstrukturen mit vertikalem Hohlraum und damit zusammenhängende Herstellungsverfahren haben, obwohl sie in großem Umfang verwendet werden, entweder unbefriedigende Leistung mit unstabilem Einzelmode-Betrieb oder einem hohen Schwellenstrom und unzureichender Ausgangsleistung oder große Schwierigkeiten bei der Herstellung, insbesondere bei der Herstellung in großen Mengen. Als Ergebnis hiervon besteht ein Bedarf für eine Einrichtung, die im stabilen Einzelmode mit ausreichender Ausgangsleistung (> 1 mW) für die meisten Anwendungen arbeiten kann, und für ein Her-
stellungsverfahren, das ein verhältnismäßig einfaches Verfahren mit großer Ausbeute ist und leicht mit der konventionellen Halbleitertechnik zu handhaben ist und auch für Massenproduktion geeignet ist.
5
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Hohlraum, der in stabilem Einzelmode-Betrieb mit einer ausreichenden Ausgangsleistung betrieben werden kann, die für die meisten Anwendungen nützlich ist. Die Herstellung soll dabei durch ein Verfahren erfolgen, das ohne weiteres durch die konventionelle Halbleitertechnik aufgegriffen werden kann und für Massenproduktion geeignet ist.
Durch die Erfindung wird eine oberflächenemittierende Laserstruktur mit vertikalem Hohlraum geschaffen. Das Herstellungsverfahren für dieselbe wird hier ebenfalls beschrieben.
Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum weist eine epitaxiale Schichtstruktur auf, die besteht aus: einem Substrat;
einer vielschichtigen Struktur, die über dem Substrat stapeiförmig angeordnet ist, die aus einem unteren verteilten Bragg-Reflektor (DBR), einer unteren Mantel- oder Abstandsschicht, einer aktiven lichtemittierenden Schicht, einer oberen Mantel- oder Abstandsschicht und einem oberen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) besteht.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Hohlraum wird in einem Teil der mehreren Schichten des Lasers ein Absorber mit einer Öffnung ge-■;··. ;··· ..... . .... .. .. .... ...
bildet, wird auf der lichtemittierenden aktiven Schicht ein aktiver Bereich gebildet, dessen Zentrum mit der Öffnung des Absorbers ausgerichtet ist, und wird auf einer Schicht vom p-Typ und einer Schicht vom &eegr;-Typ eine p-Elektrode bzw. eine n-Elektrode gebildet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
10
Fig. 1 in Querschnittsansicht schematisch einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Absorber, der im verteilten Bragg-Reflektor ausgebildet ist, und einem aktiven Bereich, der durch Ionenimplantation gebildet ist;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Charakteristik der Lichtausgangsleistung gegen den Strom der Einrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Emissionsspektra bei unterschiedlichen Strompegeln der Einrichtung der vorliegenden Erfindung; und
25
Fig. 4 in Querschnittsansicht schematisch einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit einem Absorber, der in dem verteilten Bragg-Reflektor ausgebildet ist, und einem aktiven Bereich, der durch Oxidierung gebildet ist.
In der vorliegenden Erfindung werden die Ausdrücke "oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum", "verteilter Bragg-Reflektor" und "Einzelquermode" in der gewohnlichen Bedeutung auf dem Gebiet von Halbleitern verwendet.
Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet "stabiler Einzelmode-Betrieb", daß die Lasereinrichtung im Einzelmode über den gesamten Ansteuerstrombereich oberhalb des Schwellenstroms arbeitet.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "Absorber", daß der Absorbtionskoeffizient des entsprechenden Bereiches wenigstens 10/cm in Bezug auf das Licht ist, das vom aktiven Bereich der Einrichtung abgegeben wird.
Figur 1 zeigt schematisch den Querschnitt eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) 10. Er weist ein Substrat 11 und eine vielschichtige Struktur auf, die über dem Substrat stapelförmig angeordnet ist, die aus einem unteren verteilten Bragg-Reflektor 12, einer unteren Mantel- oder Abstandsschicht 13, einer lichtemittierenden aktiven Schicht 14, die eine einzige Schicht oder eine Quantenmulde sein kann, einer oberen Mantel- oder Abstandsschicht und einem oberen verteilten Bragg-Reflektor 16 besteht. Sowohl der obere als auch der untere Bragg-Reflektor 12, 16 sind typischerweise aus vielen Paaren von abwechselnden Schichten 17 gebildet, wie z.B. GaAs/AlAs, InxGa1-51ASyP1-7ZInP gebildet sind, wobei jede abwechselnde Schicht 17 die Dicke von einem Viertel der entsprechenden Laserwellenlänge hat,
und wobei die Paaranzahl von abwechselnden Schichten so ausgewählt ist, daß sie groß genug ist, daß man eine sehr hohe Reflektivität (> 99%) in Bezug auf die Laserwellenlänge erhält; vorzugsweise ist sie zwischen 20 und 40. Das Paar von abwechselnden Schichten 17 besteht normalerweise aus einer Grenzschicht von abgestufter Zusammensetzung.
In einem Teil der vielschichtigen Anordnung des Lasers ist ein Torusbereich selektiv stark dotiert (> 1018/cm3) mit einer Öffnung 18, die intakt bleibt, um einen Absorber 19 für Modes höherer Ordnung zu bilden, indem ein konventionelles Verfahren wie Diffusion, Implantation oder Umkristallisieren verwendet wird. Der Absorber 19 kann mit einer Dotierung vom p-Typ wie z.B. Zink (Zn), Magnesium (Mg), Beryllium (Be), Strontium (Sr) oder Barium (Ba) oder einer Dotierung vom n-Typ wie z.B. Silizium (Si), Germanium (Ge), Selen (Se), Schwefel (S) oder Tellur (Te) dotiert sein. Der Zweck, einen Absorber 19 mit einer Öffnung 18 zu bilden, was nur den Durchgang von Licht im Grundmode erlaubt, besteht darin, La-0 serbetrieb bei Modes höherer Ordnungen als dem Grundmode zu unterdrücken. Um dieses Ziel zu erreichen, soll die Öffnung
18 vorzugsweise einen Durchmesser oder eine längste Diagonale
zwischen 1 und 8 um haben, noch bevorzugter zwischen 4 und um. Die Dicke des Absorbers 19 wird den Absorbtionsverlust des Lichts, das durchgeht, und das Ausmaß der Unterdrückung von Modes höherer Ordnung bestimmen. Da der Teil (< 10%) des Grundmodelichts auch mit dem Absorber 19 koppeln kann, was zu einem Absorbtionsverlust führt, muß die Dicke des Absorbers
19 optimiert werden.
30
■ · 4
Um einen Absorber 19 zu erhalten, der dick genug ist, den Mode höherer Ordnung zu unterdrücken, jedoch nicht einen signifikanten Absorbtionsverlust für den Grundmode bewirkt, ist die Dicke des Absorbers daher vorzugsweise zwischen 3 und 95%, noch bevorzugter zwischen 10 und 50% und am meisten bevorzugt zwischen 15 und 40% der Dicke des verteilten Bragg-Reflektors, wo der Absorber 19 normalerweise angeordnet ist.
Um den Absorbtionsverlust des Grundmodes zu reduzieren, ist der Absorber 19 vorzugsweise am fernen Ende des verteilten Bragg-Reflektors weg von der lichtemittierenden aktiven Schicht 14 angeordnet.
Um die lichtemittierende aktive Schicht 14 ist eine Stromeingrenzungsstruktur 2 0 gebildet, um den Injektionsstrom in einem aktiven Bereich 21 einzugrenzen, dessen Zentrum mit der Öffnung 18 des Absorbers 19 ausgerichtet ist, indem ein konventionelles Halbleiterverfahren wie Implantation, Diffusion, Oxidation oder Mesaätzen verwendet wird. Der Durchmesser des aktiven Bereiches 21 beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 50 &mgr;&pgr;&igr;, noch bevorzugter zwischen 5 und 15 &mgr;&pgr;&igr;.
Um einen p-n-Übergang in der Einrichtung zu bilden, werden die Halbleiterschichten oberhalb und unterhalb der lichtemittierenden aktiven Schicht 14 als Schichten vom p-Typ und n-Typ oder aber vom &eegr;-Typ und p-Typ ausgebildet.
Eine p-Elektrode 22 und eine n-Elektrode 23 werden auf der Schicht vom p-Typ bzw. der Schicht vom &eegr;-Typ der Laserstruktür gebildet. Eine Öffnung, die mit ihrem Zentrum mit dem ak-
tiven Bereich und der Öffnung des Absorbers ausgerichtet ist, ist entweder auf der p-Elektrode oder der &eegr;-Elektrode ausgebildet, um es zu ermöglichen, daß Licht herausemittiert wird, das bei 2 6 austritt.
5
Bei der vorliegenden Erfindung kann der oberflächenemittierende Laser 10 mit vertikalem Hohlraum aus Materialien von Halbleitersystemen und dielektrischen System hergestellt werden, wie z.B. AlxGa^xAs, AlxGa7In1^7As, InxGaLxAs7PL7, AlxGa7In1^yPZAlxGaLxAs, I^Ga7N1.^7As, GaxAl7In^x-7N, GaAsxSb1^x, ZnxCd^xS7SeL7, SiO2/Si3N4, SiO2/TiO2 oder Si/SiO2. Die Laserwellenlänge des oberflächenemittierenden Lasers 10 mit vertikalem Hohlraum wird in der Hauptsache durch das verwendete Material und die verwendete Struktur bestimmt.
Die vorliegende Erfindung soll unten aufgrund der folgenden Beispiele beschrieben werden.
Beispiel 1
Die Wafer, die für die Herstellung eines oberflächenemittierenden Lasers mit Einzelmode, 850 nm und vertikalem Hohlraum (VCSEL) verwendet wurde, bestand aus einer typischen VCSEL epitaxialen Schichtstruktur, drei GaAs/AlGaAs-Vielquanten-Mulden (MQW), wobei die oberen und unteren Mantelschichten 5 zwischen ein 30-Paar vom &eegr;-Typ und ein 20-Paar vom p-Typ Al0 12Ga0;88As/Al0 9Ga01As-Schichten sandwichartig eingeschlossen waren, mit Grenzflächen von abgestufter Zusammensetzung. Die vollständige Einrichtung, die in Figur 1 gezeigt ist, wurde wie folgt hergestellt. Erst wurde eine Si3N4 Maske mit Kreisen mit 5 um Durchmesser auf der Probe gebildet, dann wurde die maskierte Probe mit einer Zn2As3-QUeIIe in einer ausge-
pumpten Quarzampulle eingeschlossen und in einen Ofen mit 650 0C während acht Minuten für Kurzzeit-Zn-Diffusion eingebracht. Es war beabsichtigt, einen Zn-diffundierten Bereich mit einer Dicke von weniger als 0,5 [xm, was 15% der oberen verteilten Bragg-Reflektor Vielschicht vom p-Typ entspricht, außerhalb des mit Si3N4 maskierten Bereiches zu erhalten, um einen Absorber für höhere Modes zu bilden. Nach der Zn-Diffusion wurde die Probe selektiv mit Protonen mit einer Energie von 300 keV und einer Dotierung von 1 &khgr; 1014 implantiert, wobei eine 6 &mgr;&pgr;&igr; dicke Photoresistschicht mit einem Durchmesser von 15 &mgr;&idiagr;&eegr; als eine implantierte Masse verwendet wurde. Nachdem die Photoresist-Schicht entfernt worden war, wurde eine Cr/Au-Schicht mit einem Emissionsfenster von 15 &khgr; 15 &mgr;&pgr;&igr;2 auf die Oberseite aufgebracht und eine Ge/Au-Schicht auf der Rückseite der Probe aufgebracht, um Elektroden vom p-Typ bzw. &eegr;-Typ zu bilden. Figur 2 zeigt die typische Charakteristik der Lichtausgangsleistung und Spannung in Abhängigkeit vom Strom der hergestellten Einrichtung. Es wurde eine Leistung mit einem niedrigen Schwellenstrom von 3,0 mA und einer maximalen Ausgangsleistung > 3,0 mW erhalten, was wesentlich besser ist als der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum mit einem dicken Zinkdiffusionsbereich (> 3,0 &mgr;&igr;&agr;, 100 % des oberen verteilten Bragg-Ref lektors), in dem typischerweise der Schwellenstrom > 8 mA war und die Ausgangsleistung nur 0,25 mW war. Figur 3 zeigt die entsprechenden Emissionsspektra der Einrichtung bei unterschiedlichen Strompegeln, was anzeigt, daß die Einrichtung in einem stabilen Einzelmode mit einem Unterdrückungsverhältnis für Modes höherer Ordnung besser als 40 dB bis zum maximalen Ansteuerstrom arbeitet, wo die Lichtausgangsleistung gesättigt wird.
Die Anzahl von Lasereinrichtungen, die von der Wafer hergestellt wurde, betrug ungefähr 12.000. Eine Ausbeute von besser als 95% Lasereinrichtungen mit stabilem Einzelmode wurde erhalten. Es wurde so bestätigt, daß erfindungsgemäß ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum mit einem stabilen Einzelmode-Betrieb und einer ausreichenden Ausgangsleistung (> 1 mW) und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen von Einrichtungen mit guter Qualität mit hoher Ausbeute geschaffen wurde.
Beispiel 2
Dieselbe Wafer wie bei Beispiel 1 wurde benutzt, um einen im Einzelmode oberflächenemittierenden Laser mit 850 nm und vertikalem Hohlraum herzustellen. Die fertiggestellte Einrichtung, die in Figur 4 gezeigt ist, wurde wie folgt hergestellt. Als erstes wurde eine Si3N4 Maske mit Kreisen von 5 &mgr;&idiagr;&eegr; Durchmesser auf der Probe gebildet, dann wurde eine Zn(3000 Ä)/Au(IOOO Ä)-Schicht auf der maskierten Probe gebildet, die in einen Ofen bei 650 0C während 10 Minuten für Zn-Diffusion mit offener Röhre eingebracht wurde. Es war beabsichtigt, einen mit Zn diffundierten Bereich mit einer Dicke < 0,8 &mgr;&idiagr;&eegr;, was 25 % des oberen verteilten Bragg-Reflektors vom p-Typ entspricht, außerhalb des mit Si3N4 maskierten Bereiches zu erhalten, um einen Absorber für Modes höherer Ordnung zu bilden. Nach der Zn-Diffusion wurde die Probe geätzt, um eine Mesa/Grabenstruktur zu bilden. Die Gräben wurden ungefähr 1
um tiefer als die lichtemittierende aktive Schicht geätzt, um die AlGaAs-Schicht freizulegen und die Einrichtungen elektrisch zu isolieren. Dann wurde die Probe in einen Ofen bei 415 0C eingebracht, wobei H2O-Dampf mit 90 0C strömte, um das
ft* &iacgr;·
freiliegende AlGaAs zu oxidieren, um einen stromeingegrenzten aktiven Bereich zu bilden. Nach Oxidation wurde eine SiO2-Schicht mit 2000 Ä über die gesamte Probe aufgebracht, und es wurde ein 30 &khgr; 30 &mgr;&khgr;&agr;2 quadratisches Fenster auf der Oberseite der Mesa geöffnet. Als letzter Schritt wurde eine Cr/Au-Schicht mit einem 15 &khgr; 15 ^-Fenster auf die Oberseite aufgebracht, und es wurde eine Ge/Au-Schicht auf der Rückseite der Probe aufgebracht, um Kontakte vom p-Typ bzw. &eegr;-Typ zu bilden. Die Leistung der hergestellten oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum war im wesentlichen dieselbe wie diejenige der Einrichtungen von Beispiel 1. Die Ausbeute war ebenfalls dieselbe wie bei Beispiel 1.
Beispiel 3
Dieselbe Wafer wie bei Beispiel 1 wurde benutzt, um einen oberflächenemittierenden Laser mit Einzelmode, 850 nm und vertikalem Hohlraum zu bilden. Die fertiggestellte Einrichtung, die im wesentlichen dieselbe wie die in Figur 1 gezeigte ist, wurde wie folgt hergestellt. Eine 3000 Ä dicke Au-Schicht mit Kreisen von 5 &mgr;&pgr;&igr; Durchmesser wurde photolitographisch auf der Probe gebildet, dann wurde in die maskierte Probe selektiv Zn mit einer Energie von 2,5 MeV und einer Dotierung von 1 &khgr; lOVcm2 implantiert. Nach der Implantierung wurde die Probe bei 900 0C während 30 Sekunden getempert, um das implantierte Zn zu aktivieren, das einen Absorber für Modes höherer Ordnung bildet. Nach der Zn-Implantation und nach dem Tempern wurden in die Probe selektiv Protonen mit einer Energie von 300 keV und einer Dosierung von 3 &khgr; 1014 implantiert, wobei eine 6 &mgr;&igr;&agr;. dicke Photoresistschicht mit 15 &mgr;&pgr;&agr; Durchmesser als implantierte Maske ver-
wendet wurde. Nachdem die Photoresistschicht entfernt worden war, wurde eine Cr/Au-Schicht mit einem Emissionsfenster von 15 &khgr; 15 [im2 auf der Oberseite aufgebracht, und es wurde eine Ge/Au-Schicht auf der Rückseite der Probe aufgebracht, um Elektroden vom p- bzw. &eegr;-Typ zu bilden. Das Leistungsvermögen des hergestellten oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Hohlraum war im wesentlichen dasselbe wie dasjenige der Einrichtungen von Beispiel 1. Die Ausbeute war ebenso dieselbe wie bei Beispiel 1.
Beispiel 4
Die Wafer für die Herstellung eines oberflächenemittierenden Lasers mit Einzelmode, 1,3 &mgr;&pgr;&igr; und vertikalem Hohlraum (VCSEL) bestand aus einer typischen VCSEL Epitaxialschichtstruktur, drei InGaAsP/InP Multiquantenmulden (MQW), wobei die oberen und unteren Mantelschichten durch ein 40-Paar vom &eegr;-Typ und ein 35-Paar vom p-Typ von InGaAsP/InP-Schichten mit Grenzschichten von abgestufter Zusammensetzung sandwichartig eingeschlossen waren. Die vollständige Einrichtung wurde wie folgt hergestellt. Zunächst wurde eine Si3N4 Maske mit Kreisen von 5 &mgr;&idiagr;&eegr; Durchmesser auf der Probe hergestellt. Dann wurde die maskierte Probe mit einer Zn2As3-Quelle in einer ausgepumpten Quarzampulle eingeschlossen und in einen Ofen mit 650 0C für Zn-Diffusion während 15 Minuten eingebracht. Es war beabsichtigt, einen mit Zn diffundierten Bereich mit einer Dicke von weniger als 1,5 &mgr;&idiagr;&eegr;, was 20 % der oberen vielschichtigen Anordnung des verteilten Bragg-Reflektors vom p-Typ entspricht, außerhalb des mit Si3N4 maskierten Bereiches zu erhalten, um einen Absorber für höhere Modes zu bilden.
Nach der Zn-Diffusion wurden in die Probe selektiv Protonen mit einer Energie von 650 keV und einer Dosierung von 1 &khgr; 1014 implantiert, indem eine 10 &mgr;&pgr;&igr;.dicke Photoresistschicht mit einem Durchmesser von 15 &mgr;&pgr;&igr; als implantierte Maske verwendet wurde. Nachdem die Photoresistschicht entfernt war, wurde ein Emissionsfenster von 15 &khgr; 15 &mgr;&pgr;&igr;2 aus einer Ti/Pt/Au-Schicht auf der Oberseite aufgebracht, und es wurde eine Ni/AuGe/Ni/Au-Schicht auf der Rückseite der Probe aufgebracht, um Elektroden vom p-Typ bzw. &eegr;-Typ zu bilden.
Die Erfindung kann wie folgt zusammengefaßt werden. Es werden oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum geschaffen und ein Verfahren zum Herstellen derselben beschrieben. Die Einrichtung weist eine Struktur auf, die kennzeichnet ist durch: ein Substrat, eine vielschichtige Struktur, die über dem Substrat stapeiförmig angeordnet ist, die aus einem unteren verteilten Bragg-Reflektor, einer unteren Mantel- oder Abstandsschicht, einer lichtemittierenden aktiven Schicht, einer oberen Mantel- oder Abstandsschicht und einem oberen verteilten Bragg-Reflektor (DBR) besteht. Bei dem Verfahren wird ein Absorber mit einer Öffnung in einem Teil der vielschichtigen Struktur gebildet. Es wird ein aktiver Bereich gebildet, dessen Zentrum mit der Absorberöffnung der lichtemittierenden aktiven Schicht ausgerichtet ist. Es wird dann eine p-Elektrode und eine &eegr;-Elektrode auf Schichten vom p-Typ bzw. &eegr;-Typ ausgebildet. Durch die Einrichtungsstruktur und das Herstellungsverfahren wird ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum geschaffen, der im stabilen Einzelmode mit ausreichender Ausgangsleistung arbeiten kann und bei der Herstellung eine hohe Ausbeute erreicht.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform mit einem Absorber 19, einem aktiven Bereich 21, einer Oxidschicht 25, einem Lichtaustritt 26, einer Öffnung 18, einer p-Elektrode 22, einer lichtemittierenden aktiven Schicht 14, einem Substrat 11 und einer n-Elektrode 23.

Claims (12)

1. Oberflächenemittierender Laser mit einem vertikalem Hohlraum und einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist
eine mehrschichtige Struktur, die über dem Substrat (11) stapelförmig angeordnet ist, die aus einem unteren verteilten Bragg-Reflektor (DBR, 12), einer unteren Mantel- oder Abstandsschicht (13), einer lichtemittierenden aktiven Schicht (14), einer oberen Mantel- oder Abstandsschicht (15) und einem oberen verteilten Bragg- Reflektor (DBR, 16) besteht;
einen Absorber (19) mit einer Öffnung (18), der in einem Teil der mehrschichtigen Struktur ausgebildet ist und eine Dicke von 3% bis 95% des unteren oder oberen verteilten Bragg-Reflektors (DBR, 12, 16) aufweist;
einen aktiven Bereich (21), dessen Zentrum mit der Öffnung (18) des Absorbers (19) ausgerichtet ist, der in der lichtemittierenden aktiven Schicht (14) ausgebildet ist, und
eine p-Elektrode (22) und eine n-Elektrode (23), die auf einer Schicht vom p-Typ bzw. n-Typ ausgebildet ind.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (19) mit der Öffnung (18) aus einem stark dotierten torusförmigen Bereich mit einer Dotierungskonzentration von mehr als 5 × 1018/cm3 gebildet ist.
3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (18) des Absorbers (19) einen Durchmesser oder eine längste Diagonale von 1 bis 8 µm oder eine Fläche von 1-60 µm2 hat.
4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung aus Zink (Zn), Magnesium (Mg), Beryllium (Be), Strontium (Sr), Barium (Ba), Kadmium (Cd), Silizium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sb), Selen (Se), Schwefel (S) und/ oder Tellur (Te) gebildet ist.
5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Bereich (21) einen Durchmesser oder eine längste Diagonale von 5 bis 50 µm oder eine Fläche von 20 bis 2000 µm2 hat.
6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der untere verteilte Bragg-Reflektor (12) und die untere Mantel- oder Abstandsschicht (13) vom p- Typ sind und der obere verteilte Bragg-Reflektor (16) und die obere Mantel- oder Abstandsschicht vom n-Typ sind.
7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der untere verteilte Bragg-Reflektor (12) und die untere Mantel- oder Abstandsschicht (13) vom n- Typ sind und der obere verteilte Bragg-Reflektor (16) und die obere Mantel- oder Abstandsschicht vom p-Typ sind.
8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (11) ein Halbleitermaterial ist.
9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht der mehrschichtigen Struktur, die über dem Substrat (11) stapelförmig angeordnet ist, entweder aus Halbleitermaterial oder aus dielektrischem Material gebildet ist.
10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Bereich (21) seitlich durch isolierende Schichten begrenzt ist, die durch Ionenimplantation gebildet sind.
11. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Bereich (21) seitlich durch isolierende Schichten begrenzt ist, die durch Oxidation gebildet sind.
12. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Bereich (21) durch eine Mesastruktur begrenzt ist.
DE20113207U 2001-03-07 2001-08-09 Halbleiterlaser Expired - Lifetime DE20113207U1 (de)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/799,703 US20020126720A1 (en) 2001-03-07 2001-03-07 Device structure and method for fabricating semiconductor lasers
DE20113207U DE20113207U1 (de) 2001-03-07 2001-08-09 Halbleiterlaser
JP2002004847U JP3091855U (ja) 2001-08-09 2002-08-02 面発光型レーザー装置
CN 02242715 CN2571034Y (zh) 2001-08-09 2002-08-02 半导体雷射元件结构

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/799,703 US20020126720A1 (en) 2001-03-07 2001-03-07 Device structure and method for fabricating semiconductor lasers
DE20113207U DE20113207U1 (de) 2001-03-07 2001-08-09 Halbleiterlaser

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE20113207U1 true DE20113207U1 (de) 2001-12-20

Family

ID=26057143

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE20113207U Expired - Lifetime DE20113207U1 (de) 2001-03-07 2001-08-09 Halbleiterlaser

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20020126720A1 (de)
DE (1) DE20113207U1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003058780A1 (en) * 2001-12-28 2003-07-17 Finisar Corporation Vertical cavity surface emitting laser having a gain guide aperture interior to an oxide confinement layer
EP1343230A1 (de) * 2002-03-09 2003-09-10 Agilent Technologies, Inc. (a Delaware corporation) Transversal einmodiger Halbleiterlaser
EP1798827A3 (de) * 2005-12-19 2007-09-26 Seiko Epson Corporation Oberflächenemittierender-Halbleiter-Laser und Herstellungsverfahren desselben
DE102005006395B4 (de) 2004-02-17 2019-06-27 Lumentum Operations LLC (n.d.Ges.d. Staates Delaware) Indexgeführter VCSEL und ein Verfahren zur Herstellung

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1276188A3 (de) * 2001-04-05 2003-03-19 Avalon Photonics AG Oberflächenemittierender Laser mit verticalem Resonator und verbesserter transversaler Modem stabilität und stabiel polarisierter einmodiger Ausgangsstrahl
KR100475858B1 (ko) * 2002-04-01 2005-03-18 주식회사 테라스테이트 수직공진 표면 발광레이저
US6813297B2 (en) * 2002-07-16 2004-11-02 Agilent Technologies, Inc. Material systems for long wavelength lasers grown on GaSb or InAs substrates
DE10313609B4 (de) * 2003-03-26 2005-07-14 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaser mit reduzierter Rückwirkungsempfindlichkeit
EP1496583B1 (de) * 2003-07-07 2016-05-18 II-VI Laser Enterprise GmbH Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator mit verbesserter Kontrolle der transversalen Moden und Herstellungsverfahren desselben
DE102005056949B4 (de) * 2005-09-30 2013-08-22 Osram Opto Semiconductors Gmbh Optisch gepumpter oberflächenemittierender Halbleiterlaser und optische Projektionsvorrichtung mit solch einem Halbleiterlaser
US7319711B2 (en) * 2005-10-17 2008-01-15 Postech Foundation Light-emitting device and light-emitting device array using a whispering gallery mode, and method for manufacturing same
JP2007165501A (ja) * 2005-12-13 2007-06-28 Seiko Epson Corp 面発光型半導体レーザ及びその製造方法
JP2013161965A (ja) * 2012-02-06 2013-08-19 Kyoto Univ 半導体発光素子
JP2017204577A (ja) * 2016-05-12 2017-11-16 スタンレー電気株式会社 面発光レーザ装置
DE102019116862B4 (de) 2018-08-29 2021-09-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. Techniken zur oxidation von oberflächenemittierenden lasern mit vertikalem hohlraum
DE102019218864A1 (de) * 2019-12-04 2021-06-10 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Optoelektronisches halbleiterbauelement mit einzeln ansteuerbaren kontaktelementen und verfahren zur herstellung des optoelektronischen halbleiterbauelements

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003058780A1 (en) * 2001-12-28 2003-07-17 Finisar Corporation Vertical cavity surface emitting laser having a gain guide aperture interior to an oxide confinement layer
US6904072B2 (en) 2001-12-28 2005-06-07 Finisar Corporation Vertical cavity surface emitting laser having a gain guide aperture interior to an oxide confinement layer
US7432118B2 (en) 2001-12-28 2008-10-07 Finisar Corporation Vertical cavity surface emitting laser having a gain guide aperture interior to an oxide confinement layer
EP1343230A1 (de) * 2002-03-09 2003-09-10 Agilent Technologies, Inc. (a Delaware corporation) Transversal einmodiger Halbleiterlaser
DE102005006395B4 (de) 2004-02-17 2019-06-27 Lumentum Operations LLC (n.d.Ges.d. Staates Delaware) Indexgeführter VCSEL und ein Verfahren zur Herstellung
EP1798827A3 (de) * 2005-12-19 2007-09-26 Seiko Epson Corporation Oberflächenemittierender-Halbleiter-Laser und Herstellungsverfahren desselben

Also Published As

Publication number Publication date
US20020126720A1 (en) 2002-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69504276T2 (de) Licht-emittierende Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE69830463T2 (de) Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator und getrennten optischen Leitern und Stromleitern
DE69323433T2 (de) Oberflächenemittierende laser mit vertikalem resonator und darin enthaltenen strukturen
DE69832360T2 (de) N- oder P-getriebener VCSEL Vielfachlaser
DE69726322T2 (de) Seitliche Strombegrenzung für einen oberflächenemittierenden Laser
DE69809482T2 (de) Langwelliger, oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator und Herstellungsverfahren
DE69610598T2 (de) Langwelliger,oberflächenemittierender laser mit vertikalem resonator und integrierter,vertikaler optischer pumpquelle
DE69104342T2 (de) Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator und transparenter Elektrode.
DE60002478T2 (de) Oberflächenemittierender laser mit vertikalem hauptresonator (vcsel) und gekoppeltem nichtlichtleitenden nebenresonator
DE60204007T2 (de) Oberflächenemittierender laser mit vertikalem resonator
DE20113207U1 (de) Halbleiterlaser
DE69033645T2 (de) Halbleiterlaser-Vorrichtung mit mehreren Schichten zur Ausstrahlung von Licht mit verschiedenen Wellenlängen und Verfahren zu deren Betrieb
DE60225781T2 (de) Langwelliges photonisches Bauelement mit InGaAsSb Quantentopfschicht
DE60014797T2 (de) Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator und lateraler Ladungsträgerinjektion
DE69522778T2 (de) Oberflächenemittierender Laser
DE10126307A1 (de) Vertikal emittierende Hohlraumflächen Laservorrichtung
DE60107679T2 (de) Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator auf Indiumphosphid-Basis
DE10242745A1 (de) Transversalmodus- und Polarisationssteuerung von flächenemittierenden Lasern durch die Bildung eines dielektrischen Stapels
DE102005007668A1 (de) Verfahren zur Verarbeitung von Oxid-eingeschränkten VCSEL-Halbleitervorrichtungen
DE10234152A1 (de) Oberflächenemittierende Lasereinrichtung
DE69411493T2 (de) Herstellungsverfahren eines planaren einmodigen Quantum-well-halbleiterlaser mit Austrittsfenster und Strombegrenzung
DE69900096T2 (de) Halbleiterlaser und Herstellungsverfahren
DE69621719T2 (de) Kurzwelliger, oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator und Al-freiem aktiven Gebiet
DE102006010727A1 (de) Halbleiterbauelement
DE10229211A1 (de) Polarisationsgesteuerter oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum unter Verwendung einer asymmetrischen strombegrenzenden Öffnung

Legal Events

Date Code Title Description
R207 Utility model specification

Effective date: 20020131

R150 Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years

Effective date: 20041217

R157 Lapse of ip right after 6 years

Effective date: 20080301