DE60002478T2

DE60002478T2 - Oberflächenemittierender laser mit vertikalem hauptresonator (vcsel) und gekoppeltem nichtlichtleitenden nebenresonator

Info

Publication number: DE60002478T2
Application number: DE60002478T
Authority: DE
Inventors: Herbert Ralph JOHNSON; Andrew Clark; James Gunter
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2020-08-29
Also published as: EP1208622B1; US6411638B1; KR20020032559A; ATE239308T1; AU7471000A; DE60002478D1; US6678300B2; JP2003508928A; WO2001017078A1; EP1208622A1; US20020163950A1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiterlaser und insbesondere eine Laserstruktur und ein Verfahren zum Herstellen eines Single-Transverse-Mode-Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSEL).
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
In der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Halbleiterdiodenlasern bekannt. Konventionelle kantenemittierende Diodenlaser umfassen einen optischen Resonator, der parallel zur Oberfläche des Wafers verläuft, von dem viele Laserplättchen (oder Laserchips) von einem Wafer durch Sägen oder Spalten hergestellt werden. Bei einem kantenemittierenden Laser wird Laserstrahlung von der Seite des Plättchens aus extrahiert. Im Gegensatz dazu emittieren oberflächenemittierende Laser Strahlung senkrecht zur Halbleitersubstratebene von der Oberseite oder Unterseite des Plättchens aus. Ein VCSEL ist ein oberflächenemittierender Laser, bei dem Spiegel parallel zu den Waferoberflächen angeordnet sind, die zwischen sich einen optischen Resonator bilden und einschließen. Für VCSELs hat es in jüngster Zeit wegen ihrer geringeren Größe, ihrer höheren Leistung und ihrer leichten Herstellbarkeit im Vergleich zu kantenemittierenden Lasern ein größeres Interesse gegeben. VCSELs haben sich insbesondere für den Mehrmodenbetrieb und für den Einsatz in modernen Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen mit kurzer Wellenlänge als nützlich erwiesen.
VCSELs weisen üblicherweise ein Substrat auf, auf dem ein erster Spiegelstapel und ein zweiter Spiegelstapel mit einem aktiven Quantentopfgebiet dazwischen angeordnet sind. Pro Durchgang ist bei einem VCSEL der Gewinn viel geringer als bei einem kantenemittierenden Laser, was einen besseren Spiegelreflexionsgrad erforderlich macht. Aus diesem Grund umfassen die Spiegelstapel in einem VCSEL in der Regel mehrere DBR(Distributed Bragg Reflector)-Spiegel, die einen Reflexionsgrad von 99,7% oder höher aufweisen können. Ein elektrischer Kontakt ist an dem zweiten Spiegelstapel positioniert, und ein weiterer Kontakt ist am gegenüberliegenden Ende in Kontakt mit dem Substrat vorgesehen. Wenn zwischen den Kontakten ein elektrischer Stromfluß induziert wird, wird Lasern vom aktiven Gebiet induziert und entweder durch die obere oder untere Oberfläche des VCSEL emittiert.
VCSELs können grob in Multi-Transverse-Mode und Single-Transverse-Mode kategorisiert werden, wobei jede Kategorie unter anderen Umständen von Vorteil ist. Bei der Herstellung von Single-Mode-VCSELs besteht eine Aufgabe darin, daß sie über alle Betriebsbedingungen hinweg ein Single-Mode-Verhalten an den Tag legen, ohne daß andere Leistungskennlinien beeinträchtigt werden. Allgemein erfordern die aktiven Gebiete von Single-Transverse-Mode-VCSELs geringe seitliche Abmessungen, die allgemein den Reihenwiderstand und den Strahldivergenzwinkel vergrößern. Zudem kann ein Bauelement, das bei einer Betriebsbedingung Single-Mode ist, bei einer anderen Betriebsbedingung zu Multi-Mode werden, ein Effekt, der die Spektralbreite und die Strahldivergenz der emittierten Strahlung des VCSEL dramatisch vergrößert.
Die Herstellung eines VCSEL mit einer guten Modensteuerung und Hochleistungskennlinien stellt eine Herausforderung dar. Es ist schwierig, VCSELs herzustellen, die in der Mode niedrigster Ordnung (Single-Mode) effizient arbeiten. Die meisten VCSELs des Stands der Technik Lasern im allgemeinen in Transverse-Modes höherer Ordnung, wohingegen ein Single-Transverse-Mode-Lasern bei einigen Anwendungen, wie etwa Sensoren, bevorzugt wird.
In der Juni-1991-Ausgabe des IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 27, Nr. 6 diskutieren Jewell et al. in einem Artikel mit dem Titel „Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers: Design, Growth, Fabrication, Characterization" Designfragen, das Aufwachsen durch Molekularstrahlepitaxie (MBE), Herstellung und Laserkennlinien von VCSELs im allgemeinen.
In der Veröffentlichung der IEEE Photonics Technology Letters, Band 10, Nr. 8 vom August 1998 erörtern Oh et al. in einem Artikel mit dem Titel „Single-Mode Operation in an Antiguided Vertical-Cavity Surface Emitting Laser Using a Low-temperature Grown AlGaAs Dielectric Aperture" das Niedertemperaturaufwachsen einer hochohmigen dielektrischen AlGaAs-Öffnung. Um glatte Grenzen über den Öffnungsumfang zu erhalten, ist eine reduzierte Umkristallisierungstemperatur erforderlich.
Aus dem am 11. Mai 1999 an Guenter et al. erteilten US-Patent Nr. 5,903,588 „Laser with a Selectively Changed Current Confining Layer" ist eine Laserstruktur mit zwei stromeinschränkenden Schichten eines Materials bekannt, das bei Vorliegen eines Oxidationsmittels eine Oxidation erfährt. Nicht oxidierte Schichtteile werden von oxidierten und einen elektrischen Widerstand aufweisenden Anschlüssen umgeben, um Strom von einer elektrischen Kontaktinsel weiterzuleiten, indem er durch einen im voraus ausgewählten Teil eines aktiven Gebiets des Lasers geführt wird.
In der Ausgabe des IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Band 1, Nr. 2, vom Juni 1995 diskutieren We et al. in einem Artikel mit dem Titel „Single-Mode, Passive Antiguide Vertical Cavity Surface Emitting Laser" ein passives Gegenführungsgebiet, das das aktive Gebiet umgibt, damit bei hohen Strömen eine einzelne stabile Mode erzielt wird. Dieses Design ist nachteilig, da eine Mesastruktur ausgebildet wird, und das Material muß dann um die Seite herum unter Beibehaltung von Einkristallkennlinien umkristallisiert werden.
In der Ausgabe des IEEE Photonics Technology Letters, Band 9, Nr. 10, vom Oktober 1997 offenbaren Grabherr et al. in einem Artikel mit dem Titel „Efficient Single-Mode Oxide-Confined GaAs VCSELs Emitting in the 850-nm Wavelength Regime" einen oxidbeschränkten Single-Mode-VCSEL. Eine oxidierte Stromöffnung wird neben dem aktiven Gebiet des VCSEL angeordnet.
In der Veröffentlichung des Journal of Applied Physics, Band 83, Nr. 7, vom 1. April 1998 zeigt Huang in einem Artikel mit dem Titel „Effect of Reflectivity at the Interface of Oxide Layer on Transverse Mode Control in Oxide Confined Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers" eine Transverse-Mode-Steuerung durch Modellieren der dielektrischen Öffnung als einen gleichförmigen Wellenleiter und ein zusätzliches Reflexionsvermögen der Oxidschicht. Huang zeigt, daß das Ersetzen der ersten Schicht des DBR mit einer 3/4-Wellenlängen-Schicht unmittelbar neben dem optischen Resonator und Einfügen einer Oxidschicht in die 3/4-Wellenschicht zu einer geringen Brechungsindexstufe und einem geringen Schwellstrom führt.
Bei der Herstellung eines VCSEL ist üblicherweise eine relativ große Stromöffnungsgröße erforderlich, damit man einen geringen Reihenwiderstand und eine hohe Leistungsabgabe erzielt. Bei einer großen Stromöffnung besteht ein Problem darin, daß Lasermoden höherer Ordnung eingeführt werden, so daß ein Single-Mode-Lasern, wenn überhaupt, dann nur unmittelbar über dem Schwellwert eintritt. Die Herstellung eines VCSEL mit einer kleineren Stromöffnung, damit man ein Single-Mode-Verhalten zuverlässiger erhält, bewirkt mehrere Probleme: der Reihenwiderstand und der Strahldivergenzwin kel nehmen zu, und die erreichbare Leistung nimmt ab. Gegenführungsstrukturen des Stands der Technik verhindern einige dieser Nachteile, sind jedoch mit Schwierigkeiten bei der Herstellung behaftet, insbesondere, weil sie eine Unterbrechung des epitaxialen Aufwachsens, einen Strukturierungsschritt und nachfolgende zusätzliche Epitaxie erfordern. Andere große Single-Mode-VCSELs erfordern mehrstufige MBE-oder MBE/MOCVD-Kombinationen für ihre Herstellung, was zu Problemen bei der Ausrichtung und der Ausbeute führt.
Aus US-A-5,838,715 ist eine Laserstruktur bekannt, die eine Zone mit geringem Reflexionsgrad und eine Stromöffnung enthält. Die Zone mit dem geringen Reflexionsgrad ist um mindestens ein Spiegelschichtpaar vom aktiven Gebiet entfernt und außerhalb der Stromöffnung positioniert, wobei der Reflexionsgrad des zweiten Spiegelstapels außerhalb der Öffnung reduziert ist. Der Reflexionsgrad der Zone mit dem geringen Reflexionsgrad ist so gering, daß von dort nicht ausreichend Licht zurück in das aktive Gebiet reflektiert wird, daß eine Lichterzeugung durch stimulierte Emission stattfinden könnte.
Somit wird in der Technik ein VCSEL mit verbesserter Modeneinhaltung und leichter Herstellbarkeit mit einer größtmöglichen Öffnung benötigt, um den Reihenwiderstand und die Strahldivergenz zu minimieren.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, liefert technische Vorteile als ein für den Single-Mode-Betrieb ausgelegter VCSEL, wobei ein phasenverschiebendes Gebiet, das einen gekoppelten Resonator erzeugt, in einem Spiegelstapel angeordnet ist. Der gekoppelte Resonator senkt bei Betrachtung von dem aktiven Gebiet aus den Reflexionsgrad. Dieses phasenverschiebende Gebiet ist nominell außerhalb der opti schen Öffnung angeordnet. Der resultierende Reflexionsgrad vergrößert Verluste für Moden höherer Ordnung relativ zur Grundmode, da sich Moden höherer Ordnung räumlich weiter ausbreiten. Wenn das phasenverschiebende Gebiet an einem Knoten des lichtelektrischen Felds des VCSEL zentriert wird, werden dadurch die Verluste für Moden höherer Ordnung relativ zur Grundmode maximiert. Die vorliegende Erfindung erzeugt zusätzlich zu den vergrößerten Verlusten auch eine Gegenführung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird eine Laserstruktur offenbart, die dafür ausgelegt ist, bei einer Wellenlänge Lambda zu lasern. Die Laserstruktur enthält einen ersten Spiegelstapel, ein aktives Gebiet, das am ersten Spiegelstapel angeordnet ist, und einen zweiten Spiegelstapel, der am aktiven Gebiet angeordnet ist. Der zweite Spiegelstapel enthält mehrere Spiegelschichtpaare mit einer darin angeordneten Resonanzschicht mit einem phasenverschiebenden Gebiet um eine Stromöffnung außerhalb der Quantentopfschichten des aktiven Gebiets. Das phasenverschiebende Gebiet erzeugt einen gekoppelten Resonator, der außerhalb der optischen Öffnung und mindestens eine Spiegelperiode über dem aktiven Gebiet positioniert ist. Die optische Dicke des phasenverschiebenden Gebiets ist bevorzugt ein ungerades ganzes Vielfaches von einviertel Lambda verschieden von der parallelen optischen Weglänge in der Stromöffnung. Bei der Arbeitswellenlänge wird der Reflexionsgrad des zweiten Spiegelstapels außerhalb der optischen Öffnung mit der vorliegenden Erfindung reduziert.
Es wird außerdem eine Laserstruktur offenbart, die dafür ausgelegt ist, bei einer Wellenlänge Lambda zu lasern, und die folgendes enthält: einen ersten Spiegelstapel, ein aktives Gebiet, das am ersten Spiegelstapel angeordnet ist, und einen zweiten Spiegelstapel, der am aktiven Gebiet angeordnet ist. Der zweite Spiegelstapel enthält mehrere Halbleiter schichten, und in ihm ist eine Resonanzschicht mit einem phasenverschiebenden Gebiet nominell außerhalb einer optischen Öffnung angeordnet. Das phasenverschiebende Gebiet erzeugt einen gekoppelten Resonator, der vertikal in der Nähe der aktiven Schichten, aber außerhalb der optischen Öffnung positioniert ist. Mindestens eine der mehreren Halbleiterschichten ist zwischen dem phasenverschiebenden Gebiet und dem aktiven Gebiet angeordnet, und das phasenverschiebende Gebiet weist einen geringeren Brechungsindex als die benachbarten Halbleiterschichten in der Nähe des aktiven Gebiets auf. Die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets ist eine Funktion von einviertel Lambda und eine Funktion der Differenz zwischen dem Brechungsindex der benachbarten Halbleiterschicht und dem Brechungsindex des phasenverschiebenden Gebiets.
Es wird außerdem ein VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser = oberflächenemittierender Laser) offenbart, der dafür ausgelegt ist, bei einer Wellenlänge Lambda zu lasern. Der VCSEL weist einen ersten Spiegelstapel, ein aktives Gebiet, das am ersten Halbleiterspiegelstapel angeordnet ist, und einen zweiten Halbleiterspiegelstapel, der am aktiven Gebiet angeordnet ist, auf. Der zweite Halbleiterspiegelstapel weist mehrere Halbleiterspiegelschichtpaare auf, wobei darin ein phasenverschiebendes Gebiet um eine Stromöffnung herum angeordnet ist. Die Phasenverschiebung erzeugt einen gekoppelten Resonator, der in der Nähe des aktiven Gebiets, aber von ihm beabstandet, positioniert ist. Das phasenverschiebende Gebiet ist so positioniert, daß der Reflexionsgrad des zweiten Spiegelstapels nominell außerhalb der optischen Öffnung reduziert ist, und es weist eine Dicke auf, die definiert wird durch die Gleichung:
wobei d die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets, j eine ganze Zahl, n_semi der Brechungsindex der horizontal benachbarten Halbleiterschicht zum phasenverschiebenden Gebiet bei der Laserwellenlänge λ und n_oxide der Brechungsindex des phasenverschiebenden Gebiets bei der Laserwellenlänge λ ist.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines VCSEL (oberflächenemittierenden Lasers – Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) offenbart. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte: Bereitstellen eines ersten Halbleiterspiegelstapels, Ausbilden eines aktiven Gebiets auf den ersten Halbleiterspiegelstapel und Ausbilden eines ersten Teils eines zweiten Halbleiterspiegelstapels über dem aktiven Gebiet. Der erste Teil des zweiten Halbleiterspiegelstapels weist mindestens ein Spiegelschichtpaar auf. Ebenfalls sind die folgenden Schritte enthalten: Ausbilden eines phasenverschiebenden Gebiets, das um eine Stromöffnung herum über dem ersten Teil des zweiten Halbleiterspiegelstapels angeordnet ist, wobei das phasenverschiebende Gebiet und die Spiegelgebiete über und unter dem phasenverschiebenden Gebiet einen gekoppelten Resonator bilden, und danach wird ein zweiter Teil eines zweiten Halbleiterspiegelstapels über dem phasenverschiebenden Gebiet ausgebildet.
Zu den Vorteilen der Erfindung zählen die Reduzierung des Reflexionsgrads des zweiten Halbleiterspiegelstapels im gekoppelten Gebiet, was Verluste für Moden höherer Ordnung verursacht, wodurch die Single-Mode-Leistung des Lasers verbessert wird. Das phasenverschiebende Gebiet der vorliegenden Erfindung kann hergestellt werden, indem eine Oxidschicht unter Verwendung einer Einstufen-MOCVD ausgebildet wird, kombiniert mit einem Oxidationsschritt, wodurch die Herstellbarkeit verbessert und die Ausbeuten erhöht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen Merkmale der vorliegenden Erfindung lassen sich besser verstehen, wenn die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit beiliegenden Zeichnungen betrachtet werden. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einem VCSEL mit einer Resonanzschicht mit einem phasenverschiebenden Gebiet, das für eine Stromeinschränkung sorgt, und einen gekoppelten Resonator aus dem zweiten Spiegelstapel erzeugt;
2a eine ausführliche Querschnittsansicht des zweiten Spiegelstapels mit einer Resonanzschicht mit einem integralen phasenverschiebenden Gebiet;
2b eine ausführliche Querschnittsansicht des phasenverschiebenden Gebiets in der Resonanzschicht des zweiten Spiegelstapels;
3 Ergebnisse einer optischen Simulation des resultierenden lichtelektrischen Felds sowohl innerhalb als auch außerhalb der optischen Öffnung des VCSEL der vorliegenden Erfindung von einer in die obere Oberfläche des Lasers gerichteten Lichtquelle;
4 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das phasenverschiebende Gebiet Vorsprünge aufweist, die sich nach innen in die optische Öffnung erstrecken, um eine kleinere Stromöffnung zu erzeugen und den Strom einzuschränken, und
5 zeigt eine graphische Darstellung des Reflexionsgrads des zweiten Halbleiterspiegelstapels mit dem phasenverschiebenden Gebiet außerhalb der inneren Oxidationsgrenze im Vergleich zum Reflexions grad des nicht oxidierten Spiegels innerhalb der Oxidationsgrenze.
Sofern nichts Weiteres angegeben ist, beziehen sich entsprechende Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren auf entsprechende Teile.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bei einem Verfahren des Stands der Technik zum Herstellen von Single-Mode-VCSELs werden eine oder mehrere Aluminium tragende Schichten in der VCSEL-Struktur neben dem optischen Resonator oxidiert, wodurch ein isolierendes Gebiet um eine Öffnung herum erzeugt wird, durch die Strom fließen kann. Das isolierende Gebiet ändert den Reflexionsgrad, der um den optischen Resonator herum angeordneten Spiegel, was die beabsichtigte Single-Mode-Leistung verbessern oder verschlechtern kann. Falls das Oxid dünn ist, und an einen Knoten des lichtelektrischen Felds angeordnet ist, hat es kaum einen optischen Effekt. Indem das Oxid dazu verwendet wird, den Durchmesser der Stromöffnung klein zu machen, kann die kleinere Grundmode gegenüber den größeren Moden höherer Ordnung bevorzugt werden, da der optische Gewinn in der Stromöffnung die kleinere Grundmode stärker überlappt als die größeren Moden höherer Ordnung. Mit zunehmender Größe verschwindet die Selektivität, und Moden höherer Ordnung werden vorherrschen. Unter Einsatz dieses Verfahrens sind Single-Mode-Bauelemente mit einem Durchmesser von nur einigen wenigen Mikrometern erzeugt worden, die wegen ihrer geringen Größen große Strahlwinkel und einen hohen Widerstand aufweisen. Als ein noch schlimmerer Fall wird durch die Verwendung einer Oxiddicke, die den Reflexionsgrad außerhalb der Stromöffnung verbessert, tatsächlich das Lasern außerhalb der Öffnung ermutigt, wodurch Moden höherer Ordnung gegenüber der Grundmode bevorzugt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Single-Mode-VCSEL mit verbesserter Leistung bereit, der sich leichter herstellen läßt. Zunächst unter Bezugnahme auf 1 wird darin eine Querschnittsansicht eines VCSEL 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Ein Substrat 12, das bevorzugt aus GaAs besteht, möglicherweise aber aus anderen geeigneten Materialien besteht, wird bereitgestellt, und auf dem Substrat 12 wird ein erster Halbleiterspiegelstapel 14 angeordnet. Das Substrat 12 kann beispielsweise ein mit 10¹⁸/cm³ dotiertes n-Substrat umfassen. Der untere oder erste Halbleiterspiegelstapel 14 umfaßt mehrere Spiegelpaare aus Material mit abwechselnd niedrigem und hohem Brechungsindex, wie in der Technik als DBR-Spiegel bekannt ist, und er kann beispielsweise n-dotiert sein. Eine erste Abstandsschicht 16 ist über den ersten Halbleiterspiegelstapel 14 angeordnet, auf dem ein aktives Gebiet 18 angeordnet ist. Das aktive Gebiet 18 enthält drei GaAs-Quantentöpfe, bei denen es sich beispielsweise um einen mittleren 100-Å-Topf aus Claddingmaterial, wie etwa Al_0,25Ga_0,75As zwischen zwei 70-Å-Quantentöpfen, handeln kann. Das aktive Gebiet 18 weist bevorzugt eine Dicke von unter (λ/2n_active) auf, wobei Lambda (λ) gleich der gewünschten Arbeitslaserlichtwellenlänge und n_active der Brechungsindex im aktiven Gebiet 18 sind. Eine zweite Abstandsschicht 20 ist über dem aktiven Gebiet 18 angeordnet. Sowohl die erste Abstandsschicht 16 als auch der zweite Abstandshalter 20 können ein Material wie etwa beispielsweise Al_0,6Ga_0,4As umfassen.
Ein erster Teil 21 eines zweiten oder oberen DBR-Halbleiterspiegelstapels 22 ist über der zweiten Abstandsschicht 20 angeordnet. Der erste Teil 21 umfaßt mindestens ein Spiegelpaar und kann mehrere Spiegelschichtpaare umfassen. Eine Resonanzschicht 27, die λ(1 + 2j)/4n_semi dick ist, wobei j eine ganze Zahl und n_semi der Brechungsindex der Schicht 27 ist, wird über dem ersten Teil 21 des zweiten Halbleiterspiegelstapels 22 angeordnet. Die Schicht 27 enthält ein mittleres Gebiet mit einer optischen Öffnung 25, das in der Nähe des aktiven Gebiets 18, aber über dieser und von dieser beabstandet, angeordnet ist. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform weist die optische Öffnung 25 auch den gleichen Durchmesser oder die gleiche Fläche wie die Stromöffnung auf und definiert diese. Um den Umfang der Öffnung 25 herum ist ein phasenverschiebendes Gebiet 24 definiert, und es bildet einen Teil der Schicht 27. Das Material des phasenverschiebenden Gebiets 24 weist einen geringeren Brechungsindex als das benachbarte Material auf und reduziert die optische Dicke der Schicht 27 in der Nähe der durch das Material 24 ausgebildeten Teilschicht auf etwa mλ/4 (wobei m eine ungerade ganze Zahl ist), während die mechanische Dicke im wesentlichen unverändert bleibt. Die Differenz der optischen Dicke zwischen der Öffnung 25 und der durch das Gebiet 24 definierten Fläche 35 induziert eine Phasendifferenz in dem Stehwellenmuster des elektrischen Felds über diese Gebiete hinweg; deshalb wird das Gebiet 24 als ein phasenverschiebendes Gebiet bezeichnet. Ein zweiter Teil 23 des zweiten Halbleiterspiegelstapels 22 ist über der Resonanzschicht 27 angeordnet, und eine dünne Kappe 26 aus GaAs kann über dem zweiten Spiegelstapel 22 angeordnet sein. Der zweite Halbleiterspiegelstapel 22 umfaßt mehrere Spiegelpaare aus Material mit abwechselnd geringem und hohem Brechungsindex, wie in der Technik bekannt ist, und er kann beispielsweise p-dotiert sein.
Die Laseremission 36 von dem VCSEL 10 ergibt sich aus einer Spannung, die an eine obere Elektrode 28, die an die dünne Kappe 26 gekoppelt ist, und eine untere Elektrode 30, die an das Substrat 12 gekoppelt ist, angelegt wird. Die Spannung induziert wie gezeigt das Fließen eines Stroms 34 durch die verschiedenen Schichten des VCSEL 10 zum Substrat 12. Eine dielektrische, Strom einschränkende Öffnung 25 (die sich im Gebiet 24 befinden kann oder die anderweitig in der Struktur angeordnet sein könnte) begrenzt den Strom, so daß er im Gebiet 32 fließt, wo Laseremission erzeugt und in Richtung auf die und durch die obere Oberfläche des VCSEL 10 gelenkt wird. Die Öffnung 25 ist bevorzugt kreisförmig, sie kann aber auch beispielsweise oval, quadratisch, rechteckig oder sternförmig sein oder eine beliebige andere Form aufweisen.
Die vorliegende Erfindung leitet technische Vorteile ab, wodurch das im zweiten Halbleiterspiegelstapel 22 angeordnete phasenverschiebende Gebiet 24 den Reflexionsgrad des zweiten Spiegelstapels 22 im phasenverschiebenden Gebiet 24 stark reduziert und auch hohe Verluste für Moden höherer Ordnung bewirkt, wodurch eine effizientere Single-Mode-Emission erzeugt wird. Durch die Dicke und Position des phasenverschiebenden Gebiets 24 im zweiten Halbleiterstapel 22 wird dieser Effekt gesteuert. Die Dicke d des phasenverschiebenden Gebiets 24 wird bevorzugt definiert durch folgende Gleichung:
wobei d die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets, j eine ganze Zahl, n_semi der Brechungsindex einer benachbarten Halbleiterschicht zum phasenverschiebenden Gebiet und n_oxide der Brechungsindex des phasenverschiebenden Gebiets ist. Da n_oxide häufig etwa gleich n_semi/2 ist, kann die Gleichung vereinfacht werden zu:
Das phasenverschiebende Gebiet 24 ist bevorzugt von 1/4 λ optischer Dicke und, weniger bevorzugt, 3/4 λ optischer Dicke. Die optimale Position des phasenverschiebenden Gebiets 24 ist um einen Nullpunkt des lichtelektrischen Felds im Halbleiter herum zentriert, was hier näher erörtert wird.
Die Schicht 27 wird bevorzugt unter Verwendung eines Einstufen-MOCVD-Prozesses verarbeitet und ausgebildet. Die Ausbildung dieser Schicht erfolgt, ohne daß der VCSEL 10 aus der Verarbeitungskammer entfernt wird, was Probleme minimiert, die aus einem derartigen Entfernen und Wiedereinführen in die Kammer entstehen. Das phasenverschiebende Gebiet 24 wird danach in einem einzelnen Oxidationsprozeß ausgebildet. Das phasenverschiebende Gebiet 24 ist bevorzugt ein Oxid wie etwa AlGa-Oxid, wobei das As während des Oxidationsprozesses entfernt wird, es kann aber auch aus einem beliebigen Material mit einem Brechungsindex sein, der geringer ist als der Brechungsindex der einen geringeren Index aufweisenden Schicht des zweiten Spiegelstapels 22. Es kann jedoch ein Material mit einem Index verwendet werden, der höher ist als der Index der einen niedrigeren Index aufweisenden Schicht des zweiten Spiegelstapels 22, falls das phasenverschiebende Gebiet 24 entsprechend angeordnet und die Dicken so eingestellt sind, daß man zwischen Gebiet 25 und 35 eine Phasenverschiebung um 1/4 λ erhält.
2a veranschaulicht eine ausführlichere Ansicht des zweiten Halbleiterspiegelstapels 22 von 1, der aus mehreren Schichten von Spiegelpaaren besteht, wobei jedes Spiegelpaar eine „a"- und „b"-Schicht umfaßt. Bevorzugt ist die Schicht 27 wie gezeigt über mindestens einem Paar von Spiegelschichten „a" und „b" des ersten Teils 21 und manchmal mehreren Spiegelpaaren positioniert. Besonders bevorzugt ist die Schicht 27 über 3 Spiegelperioden des ersten Teils 21 positioniert. Bei jeder Schicht „a" kann es sich um 1/4 λ aus Al_0,9Ga_0,1As und bei jeder Schicht „b" um 1/4 λ aus Al_0,15Ga_0,85As und einer Dicke von 600 Å handeln, um ein Beispiel zu nennen. Zur Ausbildung des phasenverschiebenden Gebiets 24 in einer gewünschten Entfernung vom aktiven Gebiet 18 in dem zweiten Halbleiterspiegelstapel 22 wird eine der einen geringen Index aufweisenden Schichten „a" bevorzugt epitaxial mit 3/4-Wellenlänge, anstatt 1/4-Wellenlänge aufgewachsen, der Dicke der anderen „a"- und „b"-Schichten. Diese 3/4 λ-Schicht hat auf den Reflexionsgrad bei der Laserwellen- länge keine signifikante Auswirkung. Danach wird ein Umfangsteil der 3/4 λ-Schicht 27 bis auf eine optische Dicke von etwa 1/2 λ oxidiert, um das phasenverschiebende Gebiet 24 auszubilden, wobei der Brechungsindex des oxidierten Materials dabei um einen Faktor von etwa Zwei abnimmt. Dadurch wird die optische Dicke des ursprünglichen Umfangsteils der 3/4 λ-Schicht in der Nähe des phasenverschiebenden Gebiets 24 der Schicht 27 auf 1/2 λ reduziert (1/4 λ unoxidierten Materials und 1/2 λ Halbleiter, der im Gebiet 24 auf 1/4 λ oxidiert wird). Bei den oben erörterten Stöchiometrien kann das phasenverschiebende Gebiet 24 beispielsweise aus 1/2 λ aus Al_0,97Ga_0,03As bestehen, das gemäß der vorliegenden Erfindung gezielt auf 1/4 λ oxidiert ist. Bei der vorliegenden Erfindung erhält man einen starken Kontrast zwischen den Reflexionsgraden in der Mitte und an den Kanten des phasenverschiebenden Gebiets 24.
Das Material der Schicht 27 behält weiterhin eine optische Dicke von 3/4 λ in der stromleitenden optischen Öffnung 25. Man beachte, daß die präzise optische Dicke der Schicht 24, die in die Schicht 27 eingebettet ist, möglicherweise nicht präzise 1/2 λ aus Halbleiter vor der Oxidation und 1/4 λ nach der Oxidation beträgt; sie kann vielmehr auf der Basis von Materialeigenschaften nachgestellt werden, um sicherzustellen, daß zwischen den oxidierten und nichtoxidierten Gebieten eine Verschiebung von 1/4 Wellenlänge vorliegt.
Außerdem muß die Phasenverschiebung nicht λ/4 betragen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Phasenverschie bung im Bereich zwischen λ/8 und 3λ/8 liegen und dennoch optische Vorzüge der vorliegenden Erfindung ableiten. Beispielsweise kann die oxidierte Schicht innerhalb der 3/4 λ-Schicht eine andere Dicke aufweisen, wie etwa λ/8, was eine Phasenverschiebung von 45 Grad erzeugen würde. Bevorzugt liegt die Phasenverschiebung im Bereich zwischen (λ/8 bis 3λ/8) + λj/2, wobei j eine ganze Zahl ist, um die Vorzüge der vorliegenden Erfindung hinsichtlich reduziertem Reflexionsgrad zu optimieren. Wenngleich man mit der vorliegenden Erfindung eine Phasenverschiebung von 90 Grad erhält, ist es denkbar, daß andere Phasenverschiebungen wie etwa 60 Grad vorteilhaft wären und mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden könnten.
Wieder unter Bezugnahme auf 1 umfassen die zwischen unteren und oberen Spiegeln angeordneten Schichten 16, 18 und 20 zusammen einen ersten Fabry-Perot-Resonator 29. Der Teil der Schicht 27 in der Nähe des phasenverschiebenden Gebiets 24 mit einer optischen Dicke von 1/2 λ und die benachbarte optische 3/4 λ-Öffnung 25 sind zwischen Spiegelperioden oder Spiegelschichtpaaren über dem Resonator 29 angeordnet, weshalb die Schicht 27 einen zweiten Fabry-Perot-Resonator mit den gleichen oberen und unteren Spiegeln, aber mit unterschiedlichen optischen Dicken zwischen den Spiegeln, innerhalb und außerhalb der optischen Öffnung 25 umfaßt. Wenn die optischen Dicken wie oben beschrieben ausgewählt sind, erzeugt der innere Teil des Fabry-Perot-Resonators 27, der mit dem Fabry-Perot-Resonator 29 gekoppelt ist, im Gegensatz zum Umfangsteil, d. h. außerhalb der optischen Öffnung 25, einen sehr hohen Reflexionsgrad. Im Gegensatz dazu erzeugt der Fabry-Perot-Resonator in dem umgebenden Gebiet der Schicht 27 mit dem phasenverschiebenden Gebiet 24, gekoppelt mit dem Resonator 29, einen signifikant geringeren Reflexionsgrad als der mittlere Teil innerhalb von 25. Dieser sehr hohe Kontrast beim Reflexionsgrad aufgrund der beiden verschiedenen Sätze gekoppelter Resonatoren führt zu der Beschreibung des resultierenden Bauelements als ein Gegenführungs-VCSEL mit gekoppelten Resonatoren.
2b veranschaulicht eine auseinandergezogene Ansicht der Resonanzschicht 27 der vorliegenden Erfindung, die optisch behandelt wird, als ob sie eine einzelne Schicht wäre. Die Resonanzschicht 27 kann drei Schichten umfassen, wobei die mittlere Schicht das phasenverschiebende Gebiet 24 und die Öffnung 25 enthält. Die untere Schicht 31 und die obere Schicht 33 können beispielsweise aus Al_0,90Ga_0,10As bestehen, während das phasenverschiebende Gebiet 24 aus Al_0,97Ga_0,03As bestehen kann. Die untere Schicht 31 oder die obere Schicht 33, aber nicht beide, sind fakultativ und können eine Dicke von Null aufweisen. Bevorzugt weist die untere Schicht 31 eine Dicke von Null auf. Außerdem wird die Resonanzschicht 27 dort angeordnet, wo sich eine „a"-Schicht (von 2a) normalerweise befinden würde, obwohl die Resonanzschicht 27 eine größere physische Dicke aufweist als die einer regelmäßigen „a"-Schicht.
3 zeigt eine graphische Darstellung eines optischen Simulators, der die Intensitäten des elektrischen Felds (y-Achse) der vorliegenden Erfindung analysiert, die durch Licht erzeugt werden, das durch die verschiedenen Schichten (x-Achse) des VCSEL 10 auf die obere Oberfläche auftrifft. Die elektrischen Felder 40 und 42 weisen Spitzen und Täler auf, wobei das elektrische Feld 42 des sich durch die Öffnung 25 ausbreitenden Lichts eine größere Intensität als das elektrische Feld 40 des sich außerhalb der Öffnung ausbreitenden Lichts aufweist. Im Gebiet 44 der graphischen Darstellung wird eine Phasenverschiebung des Lichts außerhalb der Öffnung 40, nachdem es durch das phasenverschiebende Gebiet 24 der vorliegenden Erfindung hindurchgetreten ist, bezüglich des Lichts innerhalb 42 der Öffnung, dargestellt durch Gebiet 48 der graphischen Darstellung, gezeigt. Diese Phasenverschiebung bewirkt stärkere Verluste höherer Moden und reduziert den Reflexionsgrad. Das Gebiet 48 zeigt 1/2 λ optische Dicke im Weg von Licht außerhalb 40 der Öffnung nach dem Durchtritt durch das phasenverschiebende Gebiet 24 im Vergleich zu 3/4 λ optische Dicke im Weg des Lichts innerhalb 42, das sich durch die Öffnung ausbreitet.
Die optimale Anordnung des phasenverschiebenden Gebiets 24 im zweiten Halbleiterspiegelstapel 22 ist an einem Nullpunkt im elektrischen Feld zentriert, was in der Mitte des Gebiets 44 gezeigt ist. Wenn das phasenverschiebende Gebiet 24 innerhalb des zweiten Spiegelstapels 22 angeordnet wird, entsteht eine optische Störung, und durch eine Anordnung des phasenverschiebenden Gebiets an einem Nullpunkt im elektrischen Feld wird die Störung minimiert und immer noch das gewünschte Reflexionsgradverhältnis erzeugt. Die optimale Position des phasenverschiebenden Gebiets 24 liegt bevorzugt relativ nahe an den Quantentöpfen, aber von diesen beabstandet, was im Gebiet 50 gezeigt ist. Das phasenverschiebende Gebiet 24 ist bevorzugt beispielsweise ein bis fünf Spiegelpaare („a" und „b" von 2) von den Quantentöpfen 50 im aktiven Gebiet 18 entfernt angeordnet. Man beachte, daß bei der in 3 graphisch dargestellten Simulation Licht von der Oberseite des VCSEL 10 (Schicht mit der Zahl 100 der graphischen Darstellung) eintritt, weshalb die Phasenverschiebung in den unteren Schichten des VCSEL 10 beobachtet wird. Falls jedoch bei der Simulation Licht durch den Boden des Wafers (Schicht mit der Zahl 200 der graphischen Darstellung) gerichtet wird, würde die Phasenverschiebung in den oberen Schichten des VCSEL 10 beobachtet werden. Das phasenverschiebende Gebiet 24 der vorliegenden Erfindung kann zur Herstellung eines Single-Mode-Lasers je nach den Anforderungen für das jeweilige Design des VCSEL innerhalb des oberen oder unteren Halbleiterspiegel stapels oder beiden positioniert werden.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der VCSEL 60 ähnelt von der Funktion und der Struktur her dem VCSEL 10 der ersten Ausführungsform, wobei sich gleiche Bezugszahlen auf gleiche Elemente beziehen, unter Hinzufügung eines sich in seitliche Richtung erstreckenden ringförmigen Vorsprungs 62, der entlang der Kante des phasenverschiebenden Gebiets 24 zentriert ist und sich nach innen zur Stromöffnung 68 erstreckt. Der Vorsprung 62 vergrößert die Einschränkung des Stroms 34 durch Verengen der Stromöffnung 68. Die Stromöffnung 68 ist wegen des Vorsprungs 62 innerhalb der Öffnung kleiner als die optische Öffnung 25. Der ringförmige Vorsprung 62 kann an einem Nullpunkt des elektrischen Felds angeordnet sein, wodurch die optische Störung noch stärker reduziert wird, als dies eine optimale Plazierung der dickeren Schicht für sich alleine kann. Die Resonanzschicht 27 ist so gezeigt, daß die untere Schicht eine Dicke von Null aufweist.
Zudem wird in 4 eine bevorzugte Konfiguration einer oberen Elektrode 28 gezeigt, die zwei Schichten umfaßt; die untere Schicht 66 umfaßt bevorzugt etwa 500 Å Titan und, besonders bevorzugt, mindestens 200 Å Titan, und eine obere Schicht 64, die etwa 8 000 Å Gold umfaßt. Der VCSEL 60 funktioniert wie in der ersten Ausführungsform beschrieben dadurch, daß das phasenverschiebende Gebiet 24 und den Reflexionsgrad der Schichten unter dem phasenverschiebenden Gebiet 24 reduziert.
5 vergleicht den Reflexionsgrad der beiden Gebiete 25 und 35 im zweiten Halbleiterspiegelstapel 22 der vorliegenden Erfindung. Die bei 70 gezeigte Linie zeigt den Reflexionsgrad des oberen Spiegelstapels 22 und bei Betrachtung von den Quantentöpfen 32 eines VCSEL des Stands der Technik ohne phasenverschiebendes Gebiet 24, wie in der Öffnung 25 oder 68 zu sehen sein würde. Die bei 72 gezeigte Linie veranschaulicht den Reflexionsgrad des oberen Halbleiterspiegelstapels 22 bei Betrachtung von den Quantentöpfen 32 mit dem phasenverschiebenden Gebiet 24, und zwar außerhalb der Öffnung. Das phasenverschiebende Gebiet 24 erzeugt eine Senkung 74, was eine Reduktion des Reflexionsgrads des oberen Spiegelstapels 22 der vorliegenden Erfindung bei einer Wellenlänge λ = 846 nm veranschaulicht.
Zu Vorteilen der Erfindung zählt, daß der Reflexionsgrad des zweiten Spiegelstapels im phasenverschiebenden Gebiet reduziert wird und gleichzeitig Verluste für Moden höherer Ordnung verursacht werden. Dies führt zu einem Hochleistungs-VCSEL, der in Single-Mode betrieben werden kann. Wenn das phasenverschiebende Gebiet 24 an der Position und mit der Dicke, die hier beschrieben sind, im oberen Spiegelstapel 22 angeordnet wird, wird dadurch der Reflexionsgrad des oberen Spiegelstapels 22 reduziert, wodurch Moden höherer Ordnung aus der Laseremission 36 abgeleitet werden. Das phasenverschiebende Gebiet 24 der vorliegenden Erfindung kann durch Ausbilden einer Oxidschicht und Verwenden einer Einzelschritt-MOCVD hergestellt werden, wodurch man eine leichte Herstellbarkeit und eine Verbesserung der Ausbeute erhält. Beim phasenverschiebenden Gebiet 24 der vorliegenden Erfindung muß eine dicke Schicht positioniert werden, die größer ist als eine nominelle 1/4 λ-Spiegelschicht, wodurch komplizierte, in der Technik erforderliche Umkristallisierungsverfahren vermieden werden. Ein ausgezeichneter Single-Mode-Betrieb wird mit der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung einer Struktur erzielt, die anders ist als in der Technik, sich aber ansonsten von anderen Strukturen nicht unterscheiden läßt. Zusätzlich zu den vergrößerten Verlusten erzeugt die vorliegende Erfindung auch eine Gegenführung.
Wenngleich die Erfindung in bezug auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann bei der Lektüre der vorliegenden Anmeldung viele Variationen und Modifikationen. Obwohl der gekoppelte Hohlraumresonator der vorliegenden Erfindung sich besonders zur Verwendung in einem VCSEL eignet, wird sein Einsatz in anderen Halbleiterlasern in Betracht gezogen. Die vorliegende Erfindung ist hier so dargestellt, daß das phasenverschiebende Gebiet 24 im oberen Spiegelstapel 22 positioniert ist; die Resonanzschicht kann aber auch im unteren Spiegelstapel 14 positioniert sein, oder eine Resonanzschicht sowohl im oberen Spiegelstapel 22 als auch im unteren Spiegelstapel 14. Das phasenverschiebende Gebiet 24 kann gleichermaßen mit einem oben oder unten emittierenden VCSEL verwendet werden. Während die bevorzugten Ausführungsformen das phasenverschiebende Gebiet versetzen, so daß es eine oder mehrere Spiegelperioden vom optischen Resonator 29 entfernt ist, ist es außerdem möglich, das phasenverschiebende Gebiet im Resonator 29 anzuordnen, wobei man sich auf die materielle Brechungsindexdifferenz verläßt, daß sie ausreichend Reflexionsgraddifferenz liefert, damit das gewünschte Verhalten gekoppelter Resonatoren erzeugt wird. Die Erfindung fokussiert hauptsächlich auf Single-Mode-VCSELs, obwohl die vorliegende Erfindung auch dazu verwendet werden kann, die spektralen Eigenschaften von Multi-Mode-VCSELs zu verbessern. Zudem ist zwar ein phasenverschiebendes Gebiet gezeigt, doch wird in Betracht gezogen, daß für bestimmte Anwendungen mehrere phasenverschiebende Gebiete in mehreren Schichten angeordnet sein können. Die Gesamtphasenverschiebung würde eine Summierung der einzelnen Phasenverschiebungsgebiete sein. Es wird erwartet, daß die vorliegende Erfindung zur Verwendung als eine praktische Gegenführungsstruktur in einem phasengesteuerten Array von Nutzen sein würde, wobei mehrere seitlich verschobene, aber eng zugeordnete aktive Elemente miteinander phasengesteuert sind, um ein phasengesteuertes Array von Emittern zu erzeugen.

Claims

Laserstruktur, die dafür ausgelegt ist, bei einer einzigen Wellenlänge Lambda (λ) zu lasern, wobei die Laserstruktur folgendes umfaßt: einen ersten Spiegelstapel (14); ein aktives Gebiet (18), das am ersten Spiegelstapel (14) angeordnet ist; und einen zweiten Spiegelstapel (22), der am aktiven Gebiet (18) angeordnet ist, wobei der zweite Spiegelstapel (22) mehrere Spiegelschichtpaare umfaßt, wobei im zweiten Spiegelstapel (22) eine Resonanzschicht (27) angeordnet ist, die ein phasenverschiebendes Gebiet (24), das einen gekoppelten Resonator erzeugt, und eine Stromöffnung (25) enthält, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) um mindestens ein derartiges Spiegelschichtpaar vom aktiven Gebiet (18) entfernt und nominell außerhalb der Stromöffnung (25) positioniert ist, wobei der Reflexionsgrad des zweiten Spiegelstapels (22) außerhalb der Öffnung reduziert ist.
Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) optisch 1/4 Lambda weniger optisch dicht ist als in der Stromöffnung.
Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei die optische Dicke des phasenverschiebenden Gebiets (24) um ein ungerades ganzzahliges Vielfaches von Einviertel λ verschieden ist von der parallelen optischen Weglänge in der Öffnung (25) und wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) einen Oxidteil umfaßt.
Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets (24) nominell definiert wird durch die Gleichung:
wobei d die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets, j eine ganze Zahl, n_semi der Brechungsindex der seitlich benachbarten Halbleiterschicht zum phasenverschiebenden Gebiet und noxide der Brechungsindex des phasenverschiebenden Gebiets (24) ist.
Laserstruktur nach Anspruch 4, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) vertikal in dem zweiten Spiegelstapel (22) an einem Knoten eines lichtelektrischen Felds in der Stromöffnung (25) der Laserstruktur angeordnet ist.
Laserstruktur nach Anspruch 3, wobei die Stromöffnung (25) auch eine optische Öffnung mit gleicher Breite ist.
Laserstruktur nach Anspruch 6, wobei ein Teil des Oxidteils in einem sich nach innen erstreckenden Gebiet reduziert ist, wodurch eine Stromöffnung (25) erzeugt wird, die kleiner ist als die optische Öffnung.
Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei eine von dem phasenverschiebenden Gebiet (24) erzeugte Phasenverschiebung im Bereich zwischen (λ/8 und 3λ/8) + λj/2 liegt, wobei j eine ganze Zahl ist.
Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei der zweite Spiegelstapel (22) mehrere Halbleiterschichten umfaßt und mindestens eine der mehreren Halbleiterschichten sich neben dem phasenverschiebenden Gebiet (24) befindet, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) einen geringeren Brechungsindex als die benachbarte Halbleiterschicht aufweist, wobei die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets (24) eine Funktion von einem Viertel des Lambdas und der Differenz zwischen dem Brechungsindex der benachbarten Halbleiterschicht und dem Brechungsindex des phasenverschiebenden Gebiets (24) ist, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) einen gekoppelten Resonanzhohlraum erzeugt, der im zweiten Spiegelstapel (22) in der Nähe des aktiven Gebiets (18) positioniert ist, wobei der gekoppelte Resonanzhohlraum den Reflexionsgrad des zweiten Spiegelstapels (22) reduziert.
Laserstruktur nach Anspruch 9, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) optisch 1/4 Lambda weniger dick ist als in der Stromöffnung.
Laserstruktur nach Anspruch 9, wobei die mehreren Halbleiterschichten Sätze von Spiegelpaaren umfassen, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) um mindestens einen Satz von Spiegelpaaren vom aktiven Gebiet (18) entfernt positioniert ist.
Laserstruktur nach Anspruch 11, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) um zwei Sätze von Spiegelpaaren vom aktiven Gebiet (18) entfernt positioniert ist.
Laserstruktur nach Anspruch 9, wobei die Laserstruktur dafür ausgelegt ist, ein lichtelektrisches Feld mit Knoten im zweiten Spiegelstapel (22) zu erzeugen, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) vertikal an einem einzelnen der Knoten positioniert ist.
Laserstruktur nach Anspruch 9, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) einen Oxidteil umfaßt.
Laserstruktur nach Anspruch 14, wobei ein Teil des Oxidteils in einem Gebiet reduziert ist, das sich nach innen zum gekoppelten Resonator erstreckt, wodurch eine Stromöffnung (25) erzeugt wird, die kleiner ist als die optische Öffnung.
Laserstruktur nach Anspruch 9, weiterhin mit einer zweiten Resonanzschicht im ersten Spiegelstapel (14), wobei die zweite Resonanzschicht ein zweites phasenverschiebendes Gebiet um eine zweite Stromöffnung herum enthält, die den Reflexionsgrad im ersten Spiegelstapel außerhalb der zweiten Stromöffnung reduziert.
Laserstruktur nach Anspruch 9, weiterhin mit einer zweiten Resonanzschicht im zweiten Spiegelstapel (22), wobei die zweite Resonanzschicht ein zweites phasenverschiebendes Gebiet um eine zweite Stromöffnung herum enthält.
Laserstruktur nach Anspruch 1, wobei der Laser ein VCSEL (oberflächenemittierender Laser – vertical-cavity surface-emitting laser) ist, der dafür ausgelegt ist, bei einer Wellenlänge Lambda zu lasern, umfassend: einen ersten Halbleiterspiegelstapel (14); ein aktives Gebiet (18), das am ersten Halbleiterspiegelstapel (14) angeordnet ist; und einen zweiten Halbleiterspiegelstapel (22), der am aktiven Gebiet (18) angeordnet ist, wobei der zweite Halbleiterspiegelstapel (22) mehrere Halbleiterspiegelschichtpaare aufweist, wobei im zweiten Spiegelstapel (22) ein phasenverschiebendes Gebiet (24) um eine Stromöffnung herum angeordnet ist, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) in der Nähe des aktiven Gebiets (18) einen gekoppelten Resonator erzeugt, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) derart positioniert ist, daß der Reflexionsgrad des zweiten Spiegelstapels (22) reduziert ist, wobei die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets definiert wird durch die Gleichung:
wobei d die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets, j eine ganze Zahl, n_semi der Brechungsindex einer seitlich benachbarten Halbleiterschicht zum phasenverschiebenden Gebiet und n_oxide der Brechungsindex des phasenverschiebenden Gebiets (24) ist.
VCSEL nach Anspruch 18, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) um mindestens einen Satz der Spiegelpaare vom aktiven Gebiet (18) entfernt positioniert ist.
VCSEL nach Anspruch 18, weiterhin umfassend: ein Substrat (12), das am ersten Halbleiterspiegelstapel (14) angeordnet ist; eine erste Elektrode (30), die am Substrat (12) angeordnet ist; und eine zweite Elektrode (28), die am zweiten Halbleiterspiegelstapel (22) angeordnet ist, wobei eine an der ersten und zweiten Elektrode (30, 28) angelegte Spannung einen Strom erzeugt, der wiederum im aktiven Gebiet (18) einen optischen Gewinn erzeugt und ein Lasern bewirkt.
VCSEL nach Anspruch 20, wobei die zweite Elektrode (28) mehrere Schichten umfaßt, wobei eine derartige Schicht mindestens 200 Å Titan und eine andere derartige Schicht etwa 8000 Å Gold umfaßt.
VCSEL nach Anspruch 18, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) einen Oxidteil umfaßt.
VCSEL nach Anspruch 22, wobei die Spiegelstapel AlGaAs umfassen, wobei der Oxidteil 1/4 λ optische Wellenlänge beträgt.
VCSEL nach Anspruch 22, wobei der Oxidteil in einer Halbleiterschicht mit geringem Index positioniert ist.
VCSEL nach Anspruch 18, weiterhin mit einem zweiten phasenverschiebenden Gebiet, das in einem der ersten und zweiten Spiegelstapel (14, 22) angeordnet ist, wobei das zweite phasenverschiebende Gebiet um eine zweite Stromöffnung herum angeordnet ist, wobei das zweite phasenverschiebende Gebiet einen gekoppelten Resonator erzeugt und den Reflexionsgrad des zugeordneten Stapels außerhalb der zweiten Stromöffnung reduziert.
VCSEL nach Anspruch 18, wobei ein Teil des Oxidteils in einem Gebiet reduziert ist, das sich nach innen zum gekoppelten Resonator erstreckt, wodurch eine Stromöffnung (25) erzeugt wird, die kleiner ist als die optische Öffnung.
VCSEL nach Anspruch 18, wobei eine von dem phasenverschiebenden Gebiet (24) erzeugte Phasenverschiebung im Bereich zwischen (λ/8 und 3λ/8) + λj/2 liegt, wobei j eine ganze Zahl ist.
Verfahren zum Herstellen eines VCSEL (oberflächenemittierenden Lasers – vertical-cavity surfaceemitting laser), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellen eines ersten Halbleiterspiegelstapels (14); Ausbilden eines aktiven Gebiets (18) auf dem ersten Halbleiterspiegelstapel (14); Ausbilden eines ersten Teils (21) eines zweiten Halbleiterspiegelstapels (22) über dem aktiven Gebiet (18), wobei der erste Teil des zweiten Halbleiterspiegelstapels (22) mindestens ein Spiegelschichtpaar aufweist; Ausbilden eines phasenverschiebenden Gebiets (24), das um eine Stromöffnung (25) herum über dem ersten Teil (21) des zweiten Halbleiterspiegelstapels (22) angeordnet ist; Ausbilden eines gekoppelten Resonators unter Verwendung des phasenverschiebenden Gebiets (24) in der Nähe des aktiven Gebiets (18) und Ausbilden eines zweiten Teils (23) des zweiten Halbleiterspiegelstapels (22) über dem phasenverschiebenden Gebiet (24).
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets (24) definiert wird durch die Gleichung:
wobei d die Dicke des phasenverschiebenden Gebiets, λ eine Laserwellenlänge, j eine ganze Zahl, n_semi der Brechungsindex der seitlich benachbarten Halbleiterschicht und n_oxide der Brechungsindex des phasenverschiebenden Gebiets (24) ist.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Ausbildungsschritte für die abgeschiedenen Halbleiterschichten ohne Entfernen aus einer Verarbeitungskammer vorgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das phasenverschiebende Gebiet (24) aus einem Material mit einem hohen Aluminiumanteil ausgebildet ist und ein Teil davon oxidiert ist.
Verfahren nach Anspruch 31, weiterhin mit dem Schritt des Ausbildens eines reduzierten Teils des oxidierten Teils, der sich nach innen zum gekoppelten Resonator erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der VCSEL dafür ausgelegt ist, bei einer Wellenlänge λ zu lasern, wobei der oxidierte Teil 1/4 λ optische Dicke beträgt und der nichtoxidierte Teil des phasenverschiebenden Gebiets (24) seitlich daneben 1/2 λ optische Dicke beträgt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Ausbildungsschritt für ein phasenverschiebendes Gebiet unter Verwendung eines einzelnen MOCVD-Prozeßschritts und Oxidation verarbeitet wird.