DE3912800A1

DE3912800A1 - Flaechenstrahler

Info

Publication number: DE3912800A1
Application number: DE3912800A
Authority: DE
Inventors: Hammer Jacob Meyer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-04-25
Filing date: 1989-04-19
Publication date: 1989-11-02
Also published as: JPH0221687A; GB8909113D0; CA1302477C; FR2630593A1; GB2219134A; US4872176A

Description

Die Erfindung betrifft einen Flächenstrahler, eine Flächen strahlergruppe und ein Verfahren zum Überwachen des Aus gangs eines licht-emittierenden Geräts.

Es gibt Flächenstrahler mit einer Gitteroberfläche in einem indexgesteuerten Laser mit großem optischem Hohlraum. Ge räte dieser Art können auf einem einzigen Substrat zum Er zeugen einer Flächenstrahlergruppe hergestellt werden. Eine solche Flächenstrahlergruppe gibt ein Strahlungsmuster ab, das typisch etwa senkrecht zu der Gitteroberfläche ver läuft. Der Strahlungsausgang solcher Gruppen wird durch Einfügen eines Detektors, beispielsweise einer Gruppe von ladungsgekoppelten Halbleitervorrichtungen, in dieses Strah lungsmuster überwacht. Die Überwachung wird zunächst zum Einstellen der Ansteuerströme zum Erzeugen eines gewünsch ten Fernfeldmusters gefordert; eine weitere Überwachung ist typisch erforderlich zum Einstellen der Ansteuerströme zum Kompensieren von Änderungen von Umgebungsbedingungen und zum Kompensieren der Alterung des Geräts.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein licht-emittie rendes Gerät und ein Verfahren zum Überwachen des Geräts zu schaffen, wobei die Überwachungseinrichtung nicht in das primäre Strahlungsmuster eingefügt werden soll.

Für den Flächenstrahler ist die erfindungsgemäße Lösung gekennzeichnet durch eine auf einem Substrat liegende, große optische Hohlraumzone mit einem freigelegten und ei nem nicht freigelegten Bereich, durch eine über dem nicht freigelegten Bereich angeordnete Aktivzone und eine auf letzterer liegende Deckschicht, durch Mittel zum elektri schen Kontaktieren des Substrats und der Deckschicht, fer ner durch eine auf dem freigelegten Bereich der großen optischen Hohlraumzone liegende erste Gitterzone mit einem eine erste Gitterperiode aufweisenden ersten Gitter und durch eine zweite Gitterzone mit einer von der ersten verschiedenen, zweiten Gitterperiode.

Durch die Erfindung wird also ein Flächenstrahler geschaf fen, zu dem ein Substrat und eine darüber liegende große optische Hohlraumzone gehören. Die Hohlraumzone soll frei gelegte und nicht freigelegte Bereiche besitzen. Über den nicht freigelegten Bereichen wird eine Aktivzone und dar über eine Deckschicht gelegt. Über dem freigelegten Bereich der Hohlraumzone wird eine Gitterzone gebildet, die aus einem ersten Gitter mit einer ersten Gitterperiode und ei nem zweiten Gitter mit einer zweiten, von der ersten ver schiedenen Gitterperiode besteht.

Gemäß weiterer Erfindung wird der Flächenstrahler bevorzugt als Laser ausgebildet. Ferner kann es günstig sein, den Flächenstrahler als Gruppe strahlender Elemente bzw. als Gruppe von Einzelstrahlern auszubilden.

Die Gitterperiode der zweiten Gitterzone wird vorzugsweise größer als die Gitterperiode der ersten Gitterzone gemacht; die beiden Gitterzonen können überlagert werden, es hat jedoch auch Vorteile, wenn die zweite Gitterzone räumlich neben der ersten Gitterzone liegt. Die erfindungsgemäße Lösung ist für die Flächenstrahlergruppe, insbesondere als Kombination einzelner Flächenstrahler, gekennzeichnet durch ein Substrat, eine auf dem Substrat liegende, große op tische Hohlraumzone, eine erste Aktivzone auf einem ersten Teil der großen optischen Hohlraumzone, eine zweite Aktiv zone auf einem zweiten Teil der großen optischen Hohlraum zone, eine erste Deckschicht auf der ersten Aktivzone, eine zweite Deckschicht auf der zweiten Aktivzone, Mittel zum elektrischen Kontaktieren des Substrats sowie der ersten und zweiten Deckschicht, durch eine auf der großen opti schen Hohlraumzone zwischen der ersten und zweiten Aktiv zone liegende erste Gitterzone bestehend aus mehreren im wesentlichen mit gleichem, gegenseitigem Abstand angeordne ten Gitterelementen und durch eine auf der großen optischen Hohlraumzone liegende zweite Gitterzone bestehend aus mehre ren Elementen mit einem vom gegenseitigen Abstand der Ele mente der ersten Gitterzone abweichenden gegenseitigen Ab stand.

Eine solche Flächenstrahlergruppe kann vorzugsweise aus zwei oder mehr Einzelstrahlern des zuvor beschriebenen Typs bestehen. Gegebenenfalls sollen alle Einzelstrahler auf ein und demselben Substrat gebildet werden und insgesamt die Strahlergruppe darstellen.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Lösung für das Verfah ren zum Überwachen des Ausgangs eines licht-emittierenden Geräts, nämlich eines Flächenstrahlers oder einer Flächen strahlergruppe der vorgenannten Art durch folgende Schritte gekennzeichnet: Emittieren einer Strahlung mit Hilfe des ersten und zweiten Gitters durch Anlegen eines Stroms an das Gerät; Empfangen des Strahlungsausgangs des zweiten Gitters; und Einstellen des am Gerät anliegenden Stroms in Abhängigkeit vom gemessenen Strahlungsausgang des zweiten Gitters.

Allgemein wird durch die Erfindung erreicht, daß ein Gitter zum Erzeugen der jeweils gewünschten Arbeitsstrahlung und ein zweites Gitter zum Erzeugen einer für das Überwachen des Gesamtgeräts vorgesehenen Meßstrahlung auf dem Substrat aufgebaut werden. Die beiden Gitter, die auch überlagert sein können, stören sich gegenseitig nicht und erzeugen unterschiedliche Strahlung, so daß die Meßstrahlung ohne Störung der Arbeitsstrahlung und insbesondere von deren Fernfeld zur Überwachung der Arbeitsstrahlung gemessen und dem Meßergebnis entsprechend der Ansteuerstrom eingestellt werden können.

Anhand der schematischen Darstellung in der Zeichnung werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Flächenstrahlergruppe in perspektivischer Ansicht;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1;

Fig. 3 nebeneinander angeordnete Gitter und

Fig. 4 überlagerte Gitter.

Fig. 1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Flächenstrah lergruppe, zu der mehrere Halbleiter-Dioden-Abschnitte 11 gehören. Nach Fig. 2 enthalten diese Dioden-Abschnitte 11 ein Substrat 12 mit darauf aufgebrachter erster Überzugs zone 14. Auf der ersten Überzugszone 14 liegt eine große optische Hohlraumzone 16 und auf dieser eine Aktivzone 18. Über der Aktivzone 18 liegt eine zweite Überzugszone 20 und auf dieser eine Deckschicht 22. Die Mittel zum elektri schen Kontaktieren des Geräts umfassen einen ersten elektri schen Kontakt 30 auf der der ersten Überzugszone 14 gegen überliegenden Oberfläche des Substrats 12 und einen zweiten elektrischen Kontakt 32 auf der Deckschicht 22.

In der Gruppe von Fig. 1 werden die Dioden-Abschnitte 11 über die sich zwischen den Dioden-Abschnitten erstrecken de Hohlraumzone 16 miteinander verbunden, während über der Hohlraumzone 16 zwischen den Dioden-Abschnitten eine Gitter zone 40 vorgesehen wird. Die Gitterzone 40 wird typisch aus einer Vielzahl von im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Elementen 41 auf der Oberfläche der Hohlraum zone 16 gebildet.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 besteht die Gitterzone 40 aus einem ersten Gitter bzw. Arbeitsgitter 42, dessen Gitterlinien 41 eine im wesentlichen überall gleiche Gitter periode 43 besitzen und aus einem zweiten Gitter, nämlich einem Überwachungsgitter 44, wobei die Gitterperiode 45 jedes Überwachungsgitters 44 verschieden von der Periode 43 des Arbeitsgitters 42 ist. Es versteht sich, daß die Arbeits- und Überwachungsgitter 42, 44 sowohl nebeneinan der, wie in Fig. 3, liegen, als auch andere Gittersysteme benutzt werden können. Infrage kommt beispielsweise eine Gitterkombination gemäß Fig. 4, in der das Arbeitsgitter 42 auf dem Überwachungsgitter 44 so gelagert bzw. überlagert ist, daß das Arbeitsgitter 42 als Modulation des Über wachungsgitters 44 erscheint.

Das Substrat 12 besteht typisch aus N-leitendem GaAs von etwa 250 Mikrometern Dicke. Eine erste Hauptfläche des Sub strats 12 soll parallel zu einer (100)-Kristallebene verlau fen oder schwach in Bezug auf diese Kristallebene mißorien tiert sein. Die erste Überzugszone 14 ist etwa 1,26 Mikro meter dick und aus N-leitendem Al_xGa_1-xAs zusammengesetzt, wobei x im allgemeinen zwischen etwa 0,2 und 0,4 liegt, vorzugsweise etwa 0,27 beträgt. Die Hohlraumzone 16 wird typisch etwa 0,25 bis 0,60 Mikrometer dick gemacht und aus N-leitendem Al_xGa_1-xAs aufgebaut, wobei x im allgemeinen zwischen 0,15 und 0,25, vorzugsweise bei etwa 0,18 liegen soll. Die Aktivzone 18 wird typisch etwa 0,08 Mikrometer dick und aus N-leitendem Al_xGa_1-xAs zusammengesetzt, wobei x etwa 0,06 betragen soll. Die zweite Überzugszone 20 wird zwischen etwa 1,2 und 1,7 Mikrometer dick gemacht und aus Al_xGa_1-xAs aufgebaut, wobei x etwa 0,4 betragen soll. Der erste elektrische Kontakt 30 wird vorzugsweise aus einer Folge von niedergeschlagenen Schichten von Germanium, Gold- Nickel und Gold zusammengesetzt. Der zweite elektrische Kontakt 32 wird vorzugsweise aus einer Folge von Titan-, Platin- und Goldschichten zusammengesetzt, wobei die Schich tenfolge auf eine Zn- oder Cd-diffundierte Oberfläche nie dergeschlagen werden soll. Es versteht sich, daß die Erfin dung auch auf andere Flächenstrahlerstrukturen mit Oberflä chengitter Anwendung finden kann.

Die Flächenstrahlergruppe 10 kann unter Verwendung von Stan dardtechniken der Flüssigphasenepitaxie zum Abscheiden von Schichten und Zonen hergestellt werden. Geeignete Flüssig phasenepitaxieverfahren werden in der US-PS 37 53 801 ange geben. Nach Erzeugen der Flächenstrahlergruppe 10 wird auf die Dioden-Abschnitte 11 ein Fotolack aufgebracht; der zwei te elektrische Kontakt 32 wird dann durch Ionenfräsen außer halb der Dioden-Abschnitte 11 entfernt. Ebenfalls außerhalb der Dioden-Abschnitte 11 werden anschließend die Deck schicht 22, die zweite Überzugsschicht 20 und die Aktivzone 11, typisch durch chemisches Abtragen, z.B. mit gepufferter HF-Lösung und H₂SO₄:H₂O₂:H₂O, entfernt. Die Gitterzone wird gebildet, indem zuerst das Arbeitsgitter 42 durch Her stellen eines periodischen Gitters unter Verwendung von standardisierten Holografie- oder Ätztechniken erzeugt wird. Alternativ kann das Gitter auch durch Ionenfräsen gebildet werden. Typisch soll die Periode 43 des Arbeits gitters 42 etwa 240 Nanometer (nm) betragen. Es versteht sich, daß es wünschenswert sein kann, zuerst das Überwa chungsgitter 44 zu erzeugen, wenn andere Konfigurationen, etwa wie in Fig. 4, hergestellt werden sollen.

Das Überwachungsgitter 44 wird nach derselben Technik so gebildet, daß es eine andere Periode als das Arbeitsgitter 42 erhält. Dadurch wird erreicht, daß der in Bezug auf die Ebene der Schichten gemessene Winkel der optischen Achse der von dem Überwachungsgitter 44 abgegebenen Strahlung von dem entsprechenden Winkel der optischen Achse der von dem Arbeitsgitter 42 abgegebenen Strahlung abweicht. Vorzugs weise wird die Gitterperiode des Überwachungsgitters 44 größer als die Gitterperiode des Arbeitsgitters 42 gemacht. Typisch wird der Winkel Φ der Ausgangsstrahlung des Über wachungsgitters - gemessen an der Oberfläche - etwa

Φ=cos^-1[(n _e Λ-λ m _c)/(n₀Λ)]

betragen, wobei λ die Wellenlänge der Strahlung, m _c eine ganzzahlige Konstante (1, 2, 3 ...), Λ die Periode des Überwachungsgitters, n _e der effektive Brechungsindex in der großen optischen Hohlraumzone und n₀ der effektive Bre chungsindex in Luft bedeuten. Λ kann etwa 375 nm betra gen, so daß Φ etwa 10° beträgt.

Bei Betrieb wird eine Vorspannung passender Polarität zwi schen dem ersten und zweiten elektrischen Kontakt 30 und 32 angelegt, so daß eine Strahlung in der Aktivzone 18 er zeugt wird. Diese Strahlung wird teilweise durch das Ar beitsgitter 42 emittiert. Die optische Achse der emittier ten Strahlung verläuft typisch senkrecht zu der Ebene der Schichten. Ein Teil der Strahlung wird auch durch das Über wachungsgitter emittiert. Eine Meßvorrichtung, beispiels weise eine Gruppe von bekannten CCD-Detektoren (Charge Coup led Device, ladungsgekoppeltes Bauelement) wird so angeord net, daß sie Strahlung des Überwachungsgitters empfängt; die Ebene des Meßgerätes wird typisch senkrecht zur opti schen Achse der emittierten Strahlung des Überwachungsgit ters angeordnet. Das Meßgerät überträgt elektrische Signale auf ein Sichtgerät, das die Ausgangsstrahlung des Überwa chungsgitters darstellt. Diese Ausgangsstrahlung des Über wachungsgitters 44 steht in einer eindeutigen Beziehung zu der Ausgangsstrahlung des Arbeitsgitters 42, da die bei den Strahlungen denselben Interferenzbedingungen unterlie gen. In einigen Gerätekonfigurationen würde also beispiels weise ein einziger Strahlungszipfel des Ausgangs des Über wachungsgitters 44 einem einzigen Strahlungszipfel des Aus gangs des Arbeitsgitters 42 entsprechen. Es sei darauf hin gewiesen, daß diese eindeutige Beziehung nicht notwendig für dasselbe Muster des Arbeits- und Überwachungsgitters 42 bzw. 44 gilt und daß die Beziehung daher experimentell durch Annäherungsverfahren ermittelt werden muß, indem zu nächst die Ausgänge der beiden Gitter überwacht werden.

Unter Anwendung der Erfindung ist es daher möglich, den auf das Gerät geschalteten Strom auf einen ursprünglich gewünschten Ansteuerstrom einzustellen, indem die Ausgangs strahlung des Überwachungsgitters 44 beobachtet und dann zum Kompensieren einer Alterung oder von Änderungen der Umgebungsbedingungen verstellt wird.

Claims

1. Flächenstrahler, gekennzeichnet durch eine auf einem Substrat (12) liegende, große optische Hohlraumzone (16) mit einem freigelegten und einem nicht freigeleg ten Bereich, durch eine über dem nicht freigelegten Bereich angeordnete Aktivzone (18) und eine auf letz terer liegende Deckschicht (22), durch Mittel (30, 32) zum elektrischen Kontaktieren des Substrats (12) und der Deckschicht (22), ferner durch eine auf dem freigelegten Bereich der großen optischen Hohlraumzone (16) liegende erste Gitterzone (40) mit einem eine erste Gitterperiode (43) aufweisenden ersten Gitter (42) und durch eine zweite Gitterzone (44) mit einer von der ersten (43) verschiedenen, zweiten Gitterperio de (45).

2. Flächenstrahler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Laser.

3. Flächenstrahler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Gruppe strahlender Elemente.

4. Flächenstrahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterperio de (45) der zweiten Gitterzone (44) größer als die Gitterperiode (43) der ersten Gitterzone (42) ist.

5. Flächenstrahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Git terzone (44) neben der ersten Gitterzone (42) angeord net ist (Fig. 3).

6. Flächenstrahler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der ersten Gitterzone (42) auf wenigstens einem Teil der zweiten Gitterzone (44) liegt (Fig. 4).

7. Flächenstrahlergruppe, insbesondere als Kombination von Flächenstrahlern nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Substrat (12); eine auf dem Substrat (12) liegende, große opti sche Hohlraumzone (16); eine erste Aktivzone (18) auf einem ersten Teil der großen optischen Hohlraumzone (16); eine zweite Aktivzone (18) auf einem zweiten Teil der großen optischen Hohlraumzone (16); eine er ste Deckschicht (22) auf der ersten Aktivzone (18); eine zweite Deckschicht (22) auf der zweiten Aktivzone (18); Mittel (30, 32) zum elektrischen Kontaktieren des Substrats (12) sowie der ersten und zweiten Deck schicht (22); durch eine auf der großen optischen Hohl raumzone (16) zwischen der ersten und der zweiten Ak tivzone (18) liegende erste Gitterzone (42) bestehend aus mehreren im wesentlichen mit gleichem, gegenseiti gem Abstand angeordneten Gitterelementen (41); und durch eine auf der großen optischen Hohlraumzone (16) liegende zweite Gitterzone (44) bestehend aus mehre ren Elementen mit einem vom gegenseitigen Abstand der Elemente (41) der ersten Gitterzone (42) abweichenden gegenseitigen Abstand.

8. Flächenstrahlergruppe nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Laser-Gruppe.

9. Flächenstrahlergruppe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gitterzone (42) benach bart zur zweiten Gitterzone (44) liegt (Fig. 3).

10. Flächenstrahlergruppe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet daß wenigstens ein Teil der ersten Gitterzone (42) auf wenigstens einem Teil der zweiten Gitterzone (44) liegt (Fig. 4).

11. Flächenstrahlergruppe nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (45) zwischen Elementen der zweiten Gitterzone (44) größer als der Abstand (43) zwischen Elementen (41) der ersten Gitterzone (42) ist.

12. Verfahren zum Überwachen des Ausgangs eines licht-emit tierenden Geräts, insbesondere eines Flächenstrahlers, vorzugsweise nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, mit einem ersten, Strahlung emittierenden Gitter (42) mit einer ersten Gitterperiode (43) von Gitterelementen (41) und mit einem zweiten Gitter (44) mit einer von der ersten Gitterperiode (43) abweichen den zweiten Gitterperiode (45), ferner mit einer Aktiv zone (18) und mit Mitteln (30, 32) zum elektrischen Kontaktieren des Geräts, wobei folgende Schritte durch geführt werden:
Emittieren einer Strahlung mit Hilfe des ersten und zweiten Gitters (42, 44) durch Anlegen eines Stroms an das Gerät; Empfangen des Strahlungsausgangs des zweiten Gitters (44); und Einstellen des am Gerät an liegenden Stroms in Abhängigkeit vom gemessenen Strah lungsausgang des zweiten Gitters (44).

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Flächenstrahler eine Strahlergruppe verwendet wird und daß der Ausgang der Strahlergruppe erfaßt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß unter Verwendung eines Strahlers, bei dem der Ausgang des zweiten Gitters (44) eine optische Strahlungsachse besitzt, beim Empfangen des Ausgangs des zweiten Gitters (44) ein eine im wesentlichen ebe ne Empfangsfläche aufweisender Detektor mit seiner Empfangsfläche etwa senkrecht zu der optischen Strah lungsachse positioniert wird.