DE60204007T2

DE60204007T2 - Oberflächenemittierender laser mit vertikalem resonator

Info

Publication number: DE60204007T2
Application number: DE60204007T
Authority: DE
Inventors: Elyahou Kapon; Vladimir Iakovlev; Alexei Sirbu; Alok Rudra
Original assignee: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Current assignee: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne EPFL
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2022-03-09
Also published as: EP1368623A1; JP2004534383A; WO2002075263A1; JP2004538621A; ES2241988T3; CN1524328A; CN1263209C; EP1378039A2; KR100623406B1; WO2002075868A3; AU2002234838A1; EP1378039B1; KR100622852B1; HK1069020A1; KR20030083735A; CN1509406A; ATE295011T1; WO2002075868A2; KR20030084994A; JP4174322B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf vertikale, einen Resonator umfassenden und an der Oberfläche emittierende Laser (VCSELs) und speziell auf elektrisch gepumpte, langwellige VCSELs und Reihen von mehrwelligen VCSEL und auf ein Verfahren der Herstellung davon.
Hintergrund der Erfindung
Ein VCSEL ist ein halbleitender Laser, der eine aktive Region zwischen zwei spiegelbildlichen Stapeln enthält, welche halbleitende verteilte Bragg Reflektoren (DBR) sein können [N. M. Margalit et al., „Laterally Oxidized Lond Wavelength CW Vertical cavity Lasers", Appl. Phys. Lett., 69 (4), July 22 1996, S. 471–472] oder eine Kombination von halbleitenden und dielektrischen DBRs [Y. Oshio et al., „1.55 μm Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers with Wafer-Fused InGaAsP/InPGaAs/AlAs DBRs", Electronics Letters, Vol. 32, No. 16, 1. August 1996]. Einer der spiegelbildlichen Stapel ist typischerweise teilweise reflektierend, damit ein Teil des kohärenten Lichtes, welches in einem Resonantor aufgebaut wird, passieren kann, wobei der Resonantor durch die spiegelbildlichen Stapel geformt wird und die aktive Region zwischen den Stapeln liegt. Der VCSEL wird durch eine Spannung angetrieben, welche durch die aktive Region trieben wird. Spiegelbildliche Stapel sind typischerweise aus einer Vielzahl von Paaren von Schichten geformt, die aus einem Materialsystem geformt sind, welches üblicherweise aus zwei Materialien mit zwei verschiedenen Brechungsindices besteht und das gittermässig einfach zu anderen Teilen des VCSELs passen. Beispielsweise benutzt ein GaAs basierter VCSEL typischerweise einen AlAs/GaAs- oder einen AlGaAs/AlAs-Materialsystem, in dem verschiedene Brechungsindices von jeder Paarschicht durch die Veränderung des Aluminiumgehalts in den Schichten aktiviert ist.
VCSELs sind ebenfalls bedingt durch folgende vorteilhafte Merkmale als bevorzugte Lichtquellen für Kommunikationsanwendungen angepasst: ein Einmodensignal von einem VCSEL ist leicht in eine optische Faser gekoppelt, hat eine geringe Divergenz und ist in Betrieb inhärent bei einer einzigen Frequenz.
Eine der wichtigen Anforderungen für den Betrieb eines VCSEL ist es, die geringe Menge an Gewinnmitteln zu kompensieren, welche durch seine kompakte Natur typisch für einen VCSEL ist. Dies hängt mit der Tatsache zusammen, dass der totale Gewinn eines VCSEL mit dem totalen optischen Verlust des VCSEL gleich sein muss, um die Schwelle für die Lasertätigkeit zu erreichen. Um einen kleinen Betrag eines Gewinnmittels zu kompensieren, und es zu ermöglichen, die Schwelle der Lasertätigkeit zu erreichen und zu erhalten, ist es bekannt, eine Waferfusion einer oder beider spiegelbildlichen Stapel mit einem Reflektivitätswert von über 99.5% der aktiven Region zu benutzen. Waferfusion ist ein Prozess, in welchem Materialien mit verschiedenen Gitterkonstanten atomar durch die Anwendung von Druck und Wärme verbunden werden, um eine wirkliche physikalische Verbindung zu schaffen.
VCSELs, die Licht mit einer langen Wellenlänge aussenden, sind von grossem Interesse in der optischen Telekommunikationsindustrie. Ein langwelliges VCSEL ist erhältlich durch den Gebrauch eines VCSELs mit einem InGaAs/InGaAsP aktiven Resonatormaterial, in welchem Fall ein InP/InGaAsP-Materialsystem für die spiegelbildlichen Stapel benutzt werden muss, um eine Übereinstimmung des Gitters zu dem InP zu erreichen. In diesem System ist es jedoch praktisch unmöglich, DBR basierte Spiegel mit genügend hoher Reflektivität zu erreichen, weil die Differenz der Brechungsindices in diesem Materialsystem klein ist. Viele Versuche sind gemacht worden, um dieses Problem zu lösen, wobei auch eine Waferfusiontechnik angewendet wurde, in welcher ein DBR-Spiegel auf einem separaten Substrat gezüchtet und mit der aktiven Region verbunden wurde.
Eine andere wichtige Anforderung für einen grundlegenden Betrieb eines VCSEL und für die Lichtkopplung in einer Einmodenfaser ist die Spannungs- und optische Beschränkung. Um das lichtemittierende Gebiet eines VCSEL (praktisch ungefähr 5 bis 10 μm) zu reduzieren ist die Öffnung des Spannungsflusses (Spannungsöffnung) durch seitliche Oxidation von Al-enthaltenden Schichten beschränkt, welche auch eine seitliche Veränderung des Brechungsindexes für den grundlegenden optischen Betrieb dieser Vorrichtungen erzeugt. In einer solchen seitlichen Oxidationstechnik wird ein Tafelberg in die obere Oberfläche des VCSEL-Wafers geätzt und die exponierten Seitenwände einer Al enthaltenden Schicht (typischerweise AlGaAs Schicht) sind Wasserdampf bei erhöhter Temperatur ausgesetzt. Die Wasserdampfbehandlung begründet in Abhängigkeit von der Dauer der Oxidation den Wandeln von AlGaAs zu AlGaO_x in einiger Distanz von der Seitenwand in Richtung einer zentralen vertikalen Achse. Die Bildung einer Spannungsöffnung definiert die aktive Region der Vorrichtung, welche das aktive Resonatormaterial, in welcher der Spannungsfluss ist und wo das Licht generiert ist, definiert, während eine seitliche Variation des Brechungsindexes die Kontrolle der Betriebsstruktur des emittierten Lichts erlaubt. Dieser Ansatz wurde für alle kurzwelligen AlGaAs/Ga(In) As(P) VCSELs (d.h. emittierend bei 0.65–1.1 μm) verwendet und wird auch angewandt bei langwelligen VCSELs (d.h. emittierend bei 1.25– 1.65 μm), welche DBR umfassen können, die aus demselben Material wie die aktive Region gezüchtet werden können [S. Rapp et al., „Near-Room-Temperature Continuous Wave Operation of Electrically Pumped 1.55 μm Vertical cavity Lasers with InGaAsP/InP Bottom Mirror", Electronic Letters, Vol. 35, No. 1, 7^th January 1999], und AlGaAs basierte DBRs, die unverändert gewachsen sind [W. Yuen et al., „High Performance 1.6 μm Single-Epitaxy Top-Emitting VCSEL", Electronic Letters, Vol. 36, No. 13, 22. Juni 2000] oder waferverschmolzen mit dem aktiven Resonatormaterial sind, welches auf dem InP gewachsen ist (wie in dem oben angegebenen Artikel von N. M. Margalit et al.). Dieser Ansatz führt jedoch zu einer nicht ebenen Struktur, weil Ätzungen benötigt werden, die Tafelberge erzeugen, welche in einem komplizierten Herstellungsschema und in geringe Ausbeuten resultieren. Die seitliche Oxidation ist auf verschiedenen Faktoren wie Temperatur, Oberflächenqualität und Fehlstellen sehr empfindlich und erlaubt es nicht, Stromöffnungen von einer gewissen Grösse zu erhalten, und vor allem nicht von einer Gleichförmigkeit, um in der Herstellung von einer Reihe mit Mehrfachwellenlängen, welche durch ein Designen der Länge des Resonators entworfen wird, gebraucht zu werden. Im Fall von seitlich oxidierten Vorrichtungen, ist es sehr schwierig, Hochleistungs-AlAs/GaAs DBRs mit höchstem Kontrast des Brechungsindexes und besten thermischen Eigenschaften im Vergleich mit anderen AlGaAs/GaAs DBRs zu verwenden.
Der Gebrauch der Waferfusiontechnik erlaubt beides, eine spannungsmässige und eine optische Beschränkung während der Verschmelzung von einem GaAs basierten DBR von p-Typ zur p-Seite des aktiven Resonatormaterials, welche auf dem InP Wafer gewachsen ist, zu erhalten. An diesem Ende wird eine spezielle Strukturierung von einem der beiden Kontaktwafer durchgeführt. Die strukturierte Oberfläche besteht aus einem zentralen Tafelberg, welche von einer flachen, geätzten Region und von einem grossen Gebiet aus ungeätztem Halbleiter umgeben ist. Die Verschmelzungsfront in dem zentralen Tafelberg und das grosse Gebiet aus ungeätztem Halbleiter liegen in derselben Ebene. Die Spannungsbegrenzung erhält man durch die Platzierung einer natürlichen Oxidschicht an der verschmolzenen Schnittstelle ausserhalb des zentralen Tafelberges [A. V. Syrbu, V. P. Iakovlev, C. A. Berseth, O. Dahaese, A. Rudra, E. Kapon, J. Jacquet, J. Boucart, C. Stark, F. Gaborit, I. Sagnesm, J. C. Harmand and R. Ray, „30° CW Operation of 1.52 μm In GaAsP/AlGaAs Vertical Cavity Lasers, Vol. 34, No. 18, lateral current confinement by localized fusion", Electronic Letters, Vol. 34, No. 18, 3. September 1998]; oder durch die Platzierung einer Protonen implantierten Region ausserhalb des zentralen Tafelberges (US Patent Nr. 5,985,686). Dieser Ansatz leidet jedoch an folgendem Nachteil: die verschmolzenen p-GaAs basierten und p-InP- basierten Schnittstellen sind normalerweise hochgradig widerstandfähig, was zu einer substantiellen Aufheizung der Vorrichtung führt; und es ist sehr schwierig, p-AlGaAs/GaAs DBRs für langwellige VCSELs zu optimieren, um sowohl eine hohe Reflektion (geringe Absorbierung) und einen geringen Widerstand zu erhalten.
Gemäss einem anderen Ansatz einer Technik zur Herstellung eines langwelligen VCSELs können Tunnelverbindungen genutzt werden, um Löcher in die aktive Region zu injizieren, welches erlaubt, DBRs von n-Typ auf beiden Seiten des aktiven Resonatormaterials zu gebrauchen. Im dem US Patent WO 98/07218 wurde die p-Seite eines InP basierten aktiven Resonatormaterials mit einer p-GaAs Seite einer AlGaAs/GaAs basierten Struktur, welche einen DBR Stapel von n-Typ und die n⁺⁺/p⁺⁺ Tunnelverbindung enthielt, verschmolzen. Das normale Ätzen des Tafelbergs und eine nasse Oxidation des AlGaAs wurden durchgeführt, um eine seitliche optische und spannungsmässige Beschränkung in dieser Vorrichtung zu erhalten. Neben den oben genannten Nachteilen, welche sich auf die spezielle seitliche Beschränkungstechnik und die hochgradig widerstandsfähige p-GaAs/p-InP verschmolzene Verbindungen bezogen, weist dieser Ansatz die bekannte Schwierigkeit im Vergleich mit Materialien mit einer niedrigere Bandlücke auf, eine niedrig resistive, umgekehrt vorgespannte Tunnelverbindung in GaAs zu erhalten.
In einem jüngeren Ansatz, wird die so genannten „vergrabene Tunnelverbindungsstruktur", welche in der niederen Bandlücke des InP basierten aktiven Resonatormaterials geformt wird, verwendet [M. Ortsiefer et al., „Room-Temperature Operation of Index-Guided 1.55 μm In-P-based Vertical cavity Surface-Emitting Laser", Electronic Letters, Vol. 36, Nr. 13, 2. März 2000]. Die VCSEL-Struktur umfasst einen Oxid-DBR und einen halbleitenden DBR. Der halbleitende DBR vom n-Typ, das Resonatormaterial, welches mit einem Material vom p-Typ endet, und die p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindungsstruktur sind in einem ersten epitaxialen Prozess gewachsen. Danach wird eine flache Tafelbergstruktur durch die Tunnelverbindung geätzt, bis die p⁺⁺-Region erreicht wird, und in einem zweiten epitaxialen Prozess durch eine InP-Schicht vom n-Typ ergänzt. Dies ist gefolgt von der Ablagerung eines Oxid-DBRs auf der n-InP Schicht. In dieser Struktur sorgt die vergrabene Tunnelverbindung als ein Mittel für seitliche Spannungs-beschränkung. Ein Oxid-DBR mit einer wirklich geringen Wärmeleitfähigkeit ist jedoch zwischen einer aktiven Region und einer Wärmesenke platziert. Die resultierende Vorrichtung repräsentiert eine freistehende epitaxiale Struktur ohne ein Substrat, was zu einer komplexeren Art und Weise führt, mit solchen Vorrichtungen umzugehen und solche zu bedienen, bei gleichzeitig reduziertem Ertrag.
Der Artikel „Metamorphic DBR and Tunnel-Junction Injection: A CW RT Monolithic Long-Wavelength VCSEL", J. Boucart et al., IEEE Journal of Selected Topic in Quantum Electronics, Vol. 5, Nr. 3, 1999, S. 520–529, offenbart einen VCSEL, welcher eine Tunnelverbindung, die in ein aktives Resonatormaterial eingebettet ist, und einen metamorphischen AlGaAs/GaAs DBR vom n-Typ, welcher über das aktive Resonatormaterial in demselben epitaxialen Prozess gewachsen ist, umfasst. In diesem Fall ist die Wärmedissipation durch eine gute Wärmeleitfähigkeit der n-AlGaAs DBR verbessert. Die seitliche Spannungsbegrenzung wird als ein Ergebnis der tiefen Protonenimplantation durch die obere AlGaAs/GaAs DBR und die Tunnelverbindung hindurch erhalten. Solch eine Struktur ist jedoch durch einen Gitterversatz von 3.7% zwischen den GaAs basierten und den InP basierten Komponenten gekennzeichnet, was in einer hohen Dichte von Fehlern in dem metamorphischen AlGaAs/GaAs DBR resultiert. Diese Fehler wirken in die aktive Region hinein, was zu einer schnellen Degradation der Vorrichtung führt. Die Protonenimplantation bewirkt zusätzlich Defekte, besonders in dem InP basierten aktiven Resonatormaterial. Die resultierende Struktur umfasst auch keine Mittel für die seitliche optische Beschränkung.
Neue Generationen von Lokalen Area Networks werden das Konzept einer multiplexen Wellenlängenteilung (WDM) verwenden, um eine Breitbandübertragung zu erreichen. Eine Reihe von VCSEL mit einer Vielzahl von Wellenlängen kann eine wichtige Rolle in diesen Systemen spielen. Der Artikel „WDM Array Using Long-Wavelength Vertical Cavity Lasers", V. Jayaraman and M. Kilcoyne in Proc. SPIE: Wavelength Division Multiplexing Components, vol. 2690, 1996, S. 325–336, offenbart eine Reihe von optisch gepumpten VCSELn, die bei 1550 nm emittieren, in welcher die Länge des Resonators von verschiedenen VCSELs in der Reihe verändert wird, durch das selektive Ätzen eines InGaAsP/InP Übergitters, welches in dem VCSEL-Resonator eingeschlossen ist. Der Nachteil dieser Vorrichtungsstruktur ist, dass sie auch keine Mittel für eine seitliche optische Beschränkung enthält.
Zusammenfassung der Erfindung
Folglich besteht ein Bedarf im Stand der Technik den Betrieb von langwelligen VCSELs zu verbessern, in dem eine neue VCSEL Vorrichtungsstruktur und ein Verfahren zu deren Herstellung bereit gestellt wird.
Die Hauptidee der vorliegenden Erfindung besteht in folgendem. Eine VCSEL Vorrichtungsstruktur, welche ein zwischen zwei DBRs liegendes aktives Resonatormaterial einschliesst, wird mit einer aktiven Region hergestellt, wobei die aktive Region durch eine Öffnung zwischen einer strukturierten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials und einer im wesentlichen ebenen Oberfläche von einer Schicht vom n-Typ von einem der beiden DBRs definiert ist, wobei die strukturierte Oberfläche und die ebene Oberfläche der Schicht vom n-Typ miteinander verschmolzen werden. Die strukturierte Oberfläche wird durch eine obere Oberfläche des Tafelberges hergestellt, welche mindestens eine obere n⁺⁺ Schicht einer p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindung, die auf einer p-halbleitenden Schicht, die Teil des aktiven Resonatormaterials ist, gebildet ist, enthält, und eine obere Oberfläche einer p-Typ Schicht (d.h. entweder die p⁺⁺ Schicht der Tunnelverbindung oder eine p-halbleitende Schicht, je nachdem wie der Fall sein mag) ausserhalb des Tafelberges. Als ein Ergebnis der Verformungen der Oberflächen wird die strukturierte Oberfläche (d.h. sowohl die obere Oberfläche des Tafelberges und die Oberfläche der p-Typ Schicht ausserhalb des Tafelberges) mit der ebenen Oberfläche der n-Typ Schicht des DBR verschmolzen. Als eine Konsequenz wird ein Luftspalt in der Umgebung des Tafelberges zwischen den verschmolzenen Oberflächen geschaffen, welche die Öffnung zwischen den verschmolzenen Oberflächen darstellt. Dies erlaubt es, einen elektrischen Stromfluss zu dem aktiven Resonatormaterial zu begrenzen (d.h. die Bildung einer Spannungsöffnung, welche die aktive Region definiert) und den Brechungsindex in der aktiven Region zu variieren.
Dass heisst, dass die Öffnung, welche die aktive Region definiert und den Tafelberg einschliesst (mindestens die obere n⁺⁺ Schicht der Tunnelverbindung), ist durch Waferfusion zwischen der strukturierten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials und der im wesentlichen ebenen Oberfläche der n-Typ Schicht des DBR Stapels eingeklemmt. Der Luftspalt, welcher zwischen der verschmolzenen Oberfläche existiert, sorgt für eine seitliche Variation des Brechungsindexes in der vorgeschlagenen Vorrichtungsstruktur.
Der Ausdruck „p-Typ Schicht ausserhalb des Tafelberges", der hier verwendet wird, bedeutet eine Schicht des aktiven Resonatormaterials, welche entweder eine p-Schicht unter einer p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindungsstruktur ist oder eine untere p⁺⁺ Schicht der Tunnelverbindung. Der Ausdruck „Fusion" (Verschmelzung) bedeutet eine Waferfusionstechnik, welches aus einer atomaren Verbindung zweier Oberflächen durch die Anwendung von Druck und Temperatur besteht, um eine wirkliche physikalische Verbindung zwischen den verschmolzenen Oberflächen zu schaffen.
Dass heisst, dass gemäss der Technik der vorliegenden Erfindung ein Tafelberg in der Tunnelverbindung (ein Stapel von p⁺⁺ und n⁺⁺ Schichten) auf der p-Schicht, welche Teil des aktiven Resonatormaterials ist, geschaffen wird und die Waferfusion zwischen der unteren, ebenen n-Typ Schicht des DBR und der strukturierten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials angewendet wird. Durch die Deformation der Wafer (DBR Struktur und aktives Resonatormaterial) resultiert dieser Prozess in einer spezifischen Topologie der Schichten um den Tafelberg herum und die Schaffung eines Luftspaltes, welcher durch die Höhe des Tafelberges und den Druck, der beiden Verschmelzungstemperatur angewendet wird, festgelegt wird. Die Bereitstellung eines Luftspalts erlaubt eine seitliche Variation des Brechungsindexes in der aktiven Region der Vorrichtung. Die Bereitstellung eines elektrischen Feldes, welches von oben nach unten gerichtet ist, verursacht eine umgekehrte Vorspannung sowohl der Tunnelverbindung in dem Tafelberg als auch der n-p (oder n-p⁺⁺) verschmolzenen Schnittstelle, wobei der Stromfluss durch den Tafelberg begrenzt wird.
Die VCSEL Vorrichtung gemäss der Erfindung wird in der folgenden Weise hergestellt:
Ein aktives Resonatormaterial, welches mit einer p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindung endet, wird auf einem InP Substrate gezüchtet. Das aktive Resonatormaterial enthält eine untere n-Typ Abstandsschicht, eine Multiquantenbrunnenstruktur und eine obere Abstandsschicht, welche mit einer p-Schicht, die auf der Tunnelverbindung gezüchtet ist, endet. Danach ist die Tafelbergstruktur durch die Tunnelverbindung bis zur p-Schicht oder p⁺⁺-Schicht (allgemein die p-Typ Schicht) geätzt, wobei sich eine strukturierte Oberfläche des aktiven Resonatormaterials, welche mit der n⁺⁺-Schicht auf dem Tafelberg und der p-Typ Schicht ausserhalb des Tafelberges endet, ergibt. Danach wird die Verschmelzung eines n-Typ AlAs/GaAs DBR mit der strukturierten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials durch ein direktes Inkontaktbringen dieser Wafer und durch die Anwendung eines Drucks bei einer erhöhten Temperatur ausgeführt. Dadurch, bedingt durch die Deformation der Wafer erhält man eine qualitativ hochwertige Verschmelzung von sowohl dem n⁺⁺-Material auf dem Tafelberg als auch von dem p (oder p⁺⁺) Material ausserhalb des Tafelberges mit dem n-Typ AlAs/GaAs DBR. Das InP Substrate wird dann selektiv geätzt und der untere n-Typ AlAs/GaAs DBR wird mit der n-Seite der aktiven Resonatormaterialstruktur verbunden. Das GaAs Substrate auf dem oberen DBR wird selektiv geätzt und ohmsche Kontakte werden auf beiden Seiten der Vorrichtung angebracht.
Wenn eine Vorspannung in angemessener Weise zu den Kontakten der Vorrichtung angewendet wird, so dass das korrespondierende elektrische Feld von oben nach unten gerichtet ist (direkte Spannung), sind sowohl die Tunnelverbindung in dem Tafelberg als auch die n-p (oder n-p⁺⁺) verschmolzene Schnittstelle umgekehrt vorgespannt. Die umgekehrten Tunnelverbindungen sind sehr gut leitend und umgekehrt vorgespannte n-p (oder n-p⁺⁺) verschmolzenen Schnittstellen sind nicht leitend. Deshalb erhält man eine Begrenzung des Stromflusses durch den Tafelberg (d.h. die Bildung der Spannungsöffnung). Der Teil des aktiven Resonatormaterials, in dem der Strom fliesst, nachdem er die Spannungsöffnung passiert hat, ist die aktive Region der Vorrichtung, in der Licht generiert wird. Elektrische Lokalisation kann weiter durch die Bildung einer zusätzlichen elektrischen Begrenzungsschicht verbessert werden, so durch eine Protonenimplantationsschicht auf der aktiven Resonatormaterialstruktur um den Tafelberg herum, bevor die Verschmelzung mit dem n-DBR vollzogen wird.
Dass heisst, gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass eine Vorrichtungsstruktur eines vertikalen, einen Resonator umfassenden und an der Oberfläche emittierenden Lasers (VCSEL) bereitgestellt wird, welche eine Struktur von halbleitenden aktiven Resonatormaterial umfasst, die zwischen oberen und unteren Stapeln von verteilten Bragg Reflektoren (DBR) gelegen ist, der obere DBR enthält mindestens eine halbleitende Schicht vom n-Typ, und welche Vorrichtungsstruktur eine aktive Region zur Erzeugung von Licht in Antwort von Anwendung von direkter Spannung zu Vorrichtungskontakten bestimmt, in welcher

– besagtes aktives Resonatormaterial einen Stapel von Multiquantenschachtschichten umfasst, welcher zwischen oberen und unteren Abstandsregionen gelegen ist, die obere Abstandsregion endet mit einer p-Schicht und einer p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindung auf der p-Schicht, jede von der p⁺⁺- und p-Schicht stellt eine Schicht von einem p-Typ dar, mindestens die obere n⁺⁺-Schicht von der Tunnelverbindung ragt als Tafelberg aus der darunterliegenden Schicht vom p-Typ heraus, eine strukturierte Oberfläche von dem aktiven Resonatormaterial ist von einer oberen Oberfläche des Tafelbergs und einer oberen Oberfläche von der Schicht vom p-Typ ausserhalb des Tafelbergs geformt,
– die besagte aktive Region ist durch eine Stromöffnung bestimmt, die den von einem Luftspalt zwischen der verschmolzenen strukturierten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials und der Oberfläche der halbleitenden Schicht von n-Typ des oberen DBR-Stabels umgebenen Tafelberg enthält.

Die Vorrichtungsstruktur gemäss der Erfindung könnte mindestens eine aktive Region, die zwischen einem oberen und einem unteren DBR gelegen ist, enthalten, wobei die aktiven Regionen ausgehend von demselben aktiven Resonatormaterial hergestellt werden. Die verschiedenen aktiven Region haben verschiedenen Kontakte und eine elektrische Isolation, was es erlaubt, ein separates elektrische Pumpen von jeder aktiven Region durchzuführen. Die verschiedenen aktiven Regionen können so ausgeführt sein, dass die unterschiedliche Resonatorlängen aufweisen, so dass Licht durch die DBRs in verschiedenen Wellenlängen emittiert wird. Somit können Tafelberge mit unterschiedlichen aktiven Regionen hergestellt werden und folglich werden die verschiedenen aktiven Regionen unterschiedliche Längen aufweisen. Dies wird implementiert durch die Herstellung von mindestens einem Tafelberg, welcher mit einer zusätzlichen n-Typ Schicht auf der n⁺⁺ Schicht der Tunnelverbindung endet. Vorzugsweise hat die zusätzliche n-Typ Schicht eine Dicke, die 1/8 der Emissionswellenlänge innerhalb der VCSEL Struktur nicht überschreitet, und aus einer gewissen Nummer von Paaren von Schichten zusammengesetzt ist, wobei die Schichten von jedem Paar aus einer verschiedenen chemischen Zusammensetzungen bestehen. Wenn n solcher zusätzlicher Tafelberge (aktiver Regionen) bereitgestellt werden, enthält jeder der zusätzlichen Tafelberge einen Teil der zusätzlichen n-Typ Schicht mit einer Dicke, die im Vergleich mit derjenigen von den anderen zusätzlichen Tafelbergen unterschiedlich ist. Um eine gleiche minimale Verteilung der Wellenlänge des Lichtes, welche durch die zwischen verschiedenen aktiven Regionen liegenden DBRs emittiert wird, zu erreichen, wird der Unterschied zwischen den Dickewerten des aktiven Resonatormaterials, welches die zusätzliche n-Typ Schicht in korrespondierenden aktiven Regionen einschliesst, gleich gemacht.
Gemäss einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von einer Vorrichtungsstruktur eines vertikalen, einen Resonator umfassenden und an der Oberfläche emittierenden Lasers (VCSEL) bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:

(i) Züchten eines halbleitenden aktiven Resonatormaterials mit einem Stapel von Multiquantenschachtschichten, der zwischen oberen und unteren Abstandsregionen gelegen ist, die obere Abstandsregion endet mit einer p-Schicht und einer p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindungsstruktur auf der besagten p-Schicht, wobei jede der p⁺⁺- und p-Schicht eine Schicht vom p-Typ darstellt;
(ii) Ätzen des aktiven Resonatormaterials, welches in Schritt (i) gebildet wurde, um einen Tafelberg zu formen, welcher mindestens eine obere n⁺⁺ Schicht enthält, die aus der darunterliegenden Schicht vom p-Typ herausragt, wobei dabei eine strukturierte Oberfläche des aktiven Resonatormaterials geschaffen wird, geformt von einer oberen Oberfläche des Tafelbergs und einer oberen Oberfläche von der Schicht vom p-Typ ausserhalb des Tafelbergs,
(iii) Anwendung einer Waferfusion zwischen der strukturierten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials und einer im wesentlichen ebenen Oberfläche einer halbleitenden Schicht vom n-Typ eines ersten verteilten Bragg Reflek torsstapels (DBR), wobei eine Deformation von der verschmolzenen Oberfläche um den Tafelberg herum geschaffen wird und eine Öffnungsregion zum Fluss eines elektrischen Stroms dadurch festgelegt wird, die Öffnungsregion enthält den von einem sich zwischen den deformierten verschmolzenen Oberflächen befindenden Luftspalt umgebenen Tafelberg und legt eine aktive Region der Vorrichtung fest;
(iv) ein zweiter DBR-Stapel wird auf der Oberfläche des aktiven Resonatormaterials gegenüber der strukturierten Oberfläche geschaffen;
(v) ohmsche Kontakte werden auf der VCSEL-Vorrichtungsstruktur angebracht, um einen Stromfluss durch die Stromöffnung zu der aktiven Region zu ermöglichen.

Um eine VCSEL Vorrichtungsstruktur, die eine mindestens eine von demselben aktiven Resonatormaterial ausgehende zusätzliche aktive Region enthält, zu schaffen, wird vor Durchführung des Schritts (ii) eine zusätzliche n-Typ Schicht auf der n⁺⁺ Schicht der Tunnelverbindung bereitgestellt. In diesem Fall wird während dem Schritt (ii) mindestens ein zusätzlicher Tafelberg geformt, welcher ebenfalls einen Teil dieser zusätzlichen n-Typ Schicht enthält.
Im Unterschied zu bekannten Techniken, um langwellige VCSEL, die auf den Tunnelverbindungsansatz basieren, herzustellen, erlaubt die Technik der vorliegenden Erfindung den Gebrauch eine strukturell hochwertigen AlAs/GaAs DBR mit einer sehr guten thermischen Wärmeleitfähigkeit. Man erhält sowohl die seitliche elektrische als auch seitliche optische Begrenzung, während die Durchführung der Verschmelzung von dem AlAs/GaAs DBR zum aktiven Resonatormaterial mit einer geringen Widerstandsgrösse der n⁺⁺ InP basierten/n-GaAs verschmolzenen Schnittstelle.
Es sollte angemerkt werden, dass die Herstellungsmethode der Vorrichtung gemäss der Erfindung einfach ist, keine nicht-standardisierten Prozesse enthält und die Herstellung einer Reihe von VCSEL mit verschiedenen Wellenlängen erlaubt. Die endgültige Vorrichtung ist mechanisch sehr stabil, was eine billige Produktion im grossen Stil erlaubt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Um die Erfindung zu verstehen und zu sehen, wie sie in der Praxis ausgeführt werden könnte, werden nun zahlreiche Ausführungsarten beschrieben, nur in der Art eines nicht-beschränkenden Beispiels, mit Referenz zu den begleitenden Zeichnungen, in welchen
1A eine Schichtstruktur einer VCSEL Vorrichtung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung illustriert;
1B eine Variation des Brechungsindexes und einer stehenden Welle mit einem aktiven Resonatormaterial und benachbarten DBRs der Vorrichtung der 1A illustriert, und
2 bis 4 die Herstellung einer VCSEL Vorrichtung gemäss einer anderen Ausführungsform gemäss der Erfindung illustrieren;
5 eine schematische Repräsentation einer VCSEL Vorrichtung gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
6 die Herstellung einer VCSEL Vorrichtung von 5 illustriert;
7 eine schematische Repräsentation einer VCSEL Vorrichtung gemäss noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
8 eine schematische Repräsentation einer Reihe von elektrisch gepumpten VCSEL gemäss der vorliegenden Erfindung ist; und
9 und 10 die Herstellung einer Vorrichtung der 8 illustriert.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1A illustriert eine VCSEL Vorrichtungsstruktur, allgemein mit 10 bezeichnet, gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10 ist zusammengesetzt aus einem unteren und einem oberen n-AlAs/GaAs DBR 12a und 12b und einem aktiven Resonatormaterial dazwischen, allgemein bei 14. Die DBRs 12a und 12b sind durch Waferfusion jeweils an eine untere Oberfläche 14a und an eine obere, strukturierte Oberflache 14b des aktiven Resonatormaterials gebunden. Ohmsche Kontakte, generell bei 15, befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung 10.
Das aktive Resonatormaterial 14 ist eine Struktur, welche eine untere Abstandsschicht vom n-Typ, eine Struktur eines Multiquantumbrunnens (MQW) 18, eine obere Abstandsschicht 16b, welche mit einer Schicht 20 vom p-Typ endet, und einen Tafelberg 22, welcher eine p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindung, welche sich aus einer p⁺⁺ Unterschicht und einer n⁺⁺ Oberschicht zusammensetzt, enthält. Daher ist die strukturierte Oberfläche 14b geformt durch die obere Oberfläche des Tafelberges 22 und durch die Schicht 20 des p-Typs ausserhalb des Tafelberges 22. Die untere Oberfläche des DBR 12b von n-Typ (d.h. von der halbleitenden n-Schicht von der spiegelbildlichen Struktur) an einer Seite und der strukturierten Oberfläche 14b an der anderen Seite formen die verschmolzene Oberfläche. Der Tafelberg 22 ist zwischen der verschmolzenen Oberfläche durch deren Deformation eingeklemmt, wobei ein verlängerter Luftspalt in der Umgebung des Tafelberges 22 geschaffen wird. Der Tafelberg in einem Luftspalt zwischen der verschmolzenen, deformierten Oberfläche repräsentiert eine Öffnungsregion 25 für einen elektrischen Stromfluss dadurch, während der Luftspalt eine seitliche Variation des Berechungsindexes für die optische Beschränkung bereitstellt. Die Spannungsöffnung 25 definiert eine aktive Region als Teil eines aktiven Resonatormaterials 14, wo die Spannung nach der Spannungsöffnung 25 fliesst und wo das Licht generiert wird.
Die Anwendung einer Vorspannung zu den Kontakten 15 resultiert in ein elektrisches Feld, welches von oben nach unten gerichtet ist, so dass die Tunnelverbindung in dem Tafelberg 22 und die n-p verschmolzene Schnittstelle umgekehrt vorgespannt sind, die jeweils sehr gut leitend und nicht leitend sind. Man erhält dabei die Begrenzung des Stromflusses durch den Tafelberg.
1B zeigt die Variation des Brechungsindexes in dem aktiven Resonatormaterial und den benachbarten DBRs der VCSEL Vorrichtungsstruktur 10 und das Profil der stehenden Welle (elektrische Feld) an der Emissionswellenlänge. Es wird gezeigt, dass die Region der Struktur des Multiquantenbrunnens 18 sich in dem Maximum des elektrischen Feldes befindet, während die Tunnelverbindung TJ sich in dem Minimum der stehenden Welle befindet und daher keine Absorption von Licht, welches von der VCSEL Vorrichtungsstruktur 10 emittiert wird, einbringt.
Die Hauptschritte in der Herstellung der Vorrichtung 10 werden jetzt mit Referenz zu den 2 bis 4 beschrieben:
In einem ersten Schritt (2), wird das aktive Resonatormaterial 14 (Waferstruktur) durch fortwährendes Wachsen einer InGaAsP-Ätz-Stop Schicht 17, der unteren n-InP Abstandsstandsschicht 16a, der undotierten MQW Struktur 18, der oberen InP Abstandsschicht 16b, welche mit der InP Schicht 20 vom P-Typ endet, und der p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindung TJ auf einem InP Substrate 26 vom n-Typ hergestellt.
In dem vorliegenden Beispiel werden die folgenden Schichtparameter verwendet. Die InGaAsP-Ätz-Stop Schicht 17 hat das Maximum an Fotolumineszenz (PL_max) bei 1.4 μm (d.h. PL_max = 1.4 μm) und eine Dicke von 113 nm. Die untere n-InP Abstandsschicht 16a hat ein Dotierungsgrad, n, von 3·10¹⁷ cm^–3 und eine Dicke von 305 nm. Die undotierte MQW Struktur 18 umfasst 6 InGaAsP Quantenbrunnen mit PL_max = 1.54 μm und einer Dicke von 8 nm, und 7 Barrieren mit PL_max = 1.38 μm und einer Dicke von 9.4 nm. Die obere InP Abstandsschicht 16b umfasst 101 nm undotierten InP. Die InP Schicht 20 vom p-Typ hat eine Dicke von 192 nm und einen Dotierungsgrad p = 5·10¹⁷ cm^–3. Die p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindung TJ wird durch die p⁺⁺-InGaAs Schicht 22a mit einem Dotierungsgrad p = 5·10¹⁹ cm^–3 und mit einer Dicke von 15 nm gebildet und die n⁺⁺-InGaAs Schicht 22b mit einem Dotierungsgrad p = 5·10¹⁹ cm^–3 und einer Dicke von 15 nm, die Tunnelverbindung TJ hat also eine Gesamtdicke von 30 nm. Allgemein bewegt sich die Dicke der Tunnelverbindung zwischen 20 und 50 nm.
Im zweiten Schritt (3) wird die Tafelbergstruktur 22 durch die Tunnelverbindung TJ durch den Gebrauch von selektivem Ätzen in einer H₃PO₄:H₂O₂:H₂O basierten Lösung geätzt, wobei man die strukturierte Oberfläche 14b der aktiven Resonatormaterialstruktur 14 erhält. In dem vorliegenden Beispiel ist das Ätzen durch den Gebrauch einer 10 μm Durchmesser grossen, fotoresistenten Maske durchgeführt und wird fortgesetzt, bis die Schicht 20 vom p-Typ erreicht wird, wobei die Oberfläche der Schicht 20 die Schicht vom p-Typ ausserhalb des Tafelberges darstellt, die mit dem DBR 12b vom n-Typ verschmolzen wird. Es sollte jedoch bemerkt werden, dass der Ätzvergang fortgesetzt werden könnte bis die p⁺⁺ Schicht 22a der Tunnelverbindung erreicht ist, wobei in diesem Fall die Oberfläche der Schicht 22a eine Schicht vom p-Typ ausserhalb des Tafelberges darstellt, die verschmolzen wird.
In dem dritten Schritt (4) werden der Stapel 12b vom n-Typ und das aktive Resonatormaterial 14 in direktem Kontakt gebracht, und ein Druck bei erhöhter Temperatur angewendet, wobei eine Verschmelzung der Oberfläche der unteren halbleitenden n-Schicht vom DBR 12b mit der strukturierten Oberfläche 14b erreicht wird. Der DBR Stapel 12b ist eine AlAs/GaAs DBR Struktur, die durch eine Metal-Organische-Chemische-Bedampfung (MOCVD) auf dem GaAs Substrate gezüchtet wurde, enthält 25 Paare von AlAs mit einem Dotierungsgrad n = 10¹⁸ cm^–3 und einer Dicke von 130 nm, und GaAs mit einem Dotierungsgrad n = 10¹⁸ cm^–3 und einer Dicke von 114 nm.
Das Verschmelzungs-Setup, welches grundlegend eine pneumatische Presse ist, erlaubt es den Druck, welcher zu den Wafers, die in verschiedenen Stufen des Verschmelzungsprozesses in Kontakt sind, angewendet wird, zu verändern. Um Defektformationen in der aktiven Region zu vermeiden ist es sehr wichtig, dass während der Reinigung bei Raumtemperatur der bei den Wafern angewendete Druck 0.5 bar nicht überschreitet. Dieser niedrige Druck wird während des Wärmezyklus gehalten bis eine Verschmelzungstemperatur von 650°C erreicht wird. Danach wird der Druck schrittweise bis 2.0 bar erhöht und die Wafers werden in diesen Bedingungen für 30 Minuten gehalten. Während des Verschmelzungsprozesses werden die Wafer deformiert und es wird eine Verschmelzung hoher Qualität von sowohl dem n⁺⁺ Material auf dem Tafelberg 22 als auch dem Material vom p-Typ ausserhalb des Tafelberges zu dem n-Typ AlAs/GaAs DBR 12b erreicht. Zusätzlich wird der Luftspalt 24 gebildet.
Im letzten Schritt wird das InP Substrate selektiv in HCL geätzt bis die InGaAsP Ätz Stop Schicht 17 erreicht wird, welche ebenfalls in einer H₃PO₄:H₂O₂:H₂O Lösung geätzt wird. Danach wird der untere n-Typ AlAs/GaAs DBR 12a mit der n-Seite des aktiven Resonatormaterials verschmolzen. In dem vorliegenden Beispiel umfasst der DBR 12a 27 Paare von AlAs und GaAs Schichten mit derselben Dicke und denselben Werten vom Dotierungsgrad im Vergleich mit denen von den Schichten in dem oberen DBR Stapel 12b. Die GaAs Substrate des oberen DBR wird selektiv in einer H₂O₂-NH₃OH-Lösung geätzt bis die erste AlAs Schicht erreicht wird, welche als ein Ätzstop wirkt und welche ebenfalls selektiv in HF geätzt wird. Danach werden Ni-Au-Ge-Au ohmsche Kontakte 15 an beiden Seiten der Vorrichtung angebracht. Die VCSEL Vorrichtungsstruktur 10, die nach diesem Prozess erhalten wird, emittiert bei 1520 nm.
In bezug auf die 5 und 6 wird eine VCSEL Vorrichtungsstruktur 100 gemäss einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. Um die Verständlichkeit zu ermöglichen werden dieselben Referenznummern für solche Komponenten, die in den Vorrichtungen 10 und 100 identisch sind, verwendet. Die Vorrichtung 100 wird durch den Gebrauch einer Protonenimplantation durch das aktive Resonatormaterial 14 ausserhalb des Tafelberges 22 vor der Verschmelzung des oberen DBR 12b hergestellt, was eine weitere Verbesserung der elektrischen Lokalisierung durch die Öffnungsregion 25 der VCSEL Vorrichtungsstruktur erlaubt.
Um die Vorrichtung 100 herzustellen wird die Vorbereitung des strukturierten aktiven Resonatormaterials wie oben in bezug auf die Herstellung der Vorrichtung 10 beschrieben ausgeführt, und danach, wie in der 6 gezeigt, wird eine fotoresistente Scheibe 27 über dem Tafelberg 22 in einer solcher Weise gebildet, dass die Scheibe konzentrisch mit dem Tafelberg ist. Diese Scheibe 27, die als eine Maske dient, hat einen Durchmesser 30 μm und eine Dicke von 2 μm. Maskieren des Tafelberges ist gefolgt von einer Protonenimplantation der Oberfläche des aktiven Resonatormaterials 14 mit der Dosis von 5·10¹⁴ bei einer Energie von 80 keV. Die Implantationsenergie und die Dosis sind so ausgewählt, dass die Implantationsschicht 28 (5) die untere n-InP Abstandschicht 16a erreicht.
Nach der Protonenimplantation wird die fotoresistente Maske 27 in Aceton und Sauerstoffplasma entfernt und die folgenden Schritte sind ähnlich zu denen, die oben in be zug auf die Herstellung der Vorrichtung 10 beschrieben wurden. Als Ergebnis erhält man eine VCSEL Vorrichtung 100, die eine zusätzliche protonenimplementierte Strom-beschränkungsschicht 28 aufweist, welche nur die äussere Grenze des Luftspalts 24, der den Tafelberg 22 umgibt, erreicht und keine Defekte in die aktive Region, welche durch die Öffnung 25 definiert wird, einbringt, weil sie ausserhalb der aktiven Region und ganz weit davon entfernt liegt. Die Implantation von Sauerstoff oder anderen Ionen können ebenso für diesen Zweck verwendet werden.
7 illustriert eine VCSEL Vorrichtungsstruktur 220 gemäss noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Selbe Referenznummern werden verwendet, um Komponenten zu bezeichnen, welche den vorher beschriebenen Beispielen entsprechen. In dem vorliegenden Beispiel der 7 ist ein oberer DBR 12b ein AlAs/GaAs Stapel, in welcher nur eine obere GaAs Schicht 30 ist von einem n-Typ dotiert mit einer Trägerkonzentration von 5·10¹⁸ cm^–3, alle anderen Schichten sind undotiert. Der obere DBR Stapel 12b wird mit dem aktiven Resonatormaterial 14 in Kontakt gebracht und die obere n-GaAs Schicht 30 des oberen Stapels 12b wird mit der strukturierten Oberfläche 14b des aktiven Resonatormaterials in der oben beschriebenen Art und Weise verschmolzen. Danach wird das GaAs-Substrat des oberen DBR 12b selektiv in einer H₂O₂-NH₃OH Lösung geätzt. Reaktives Trocken-Plasma-Ätzen in Cl₂-CH₄-Ar wird verwendet, um eine ringförmige Einbuchtung 31 in dem oberen DBR Stapel 12b zu formen bis die n-Typ GaAs Schicht 30 erreicht ist, wobei auf diese Weise eine zentrale Stapelregion auf dem oberen DBR 12b definiert wird, welche von der ringförmigen Einbuchtung 31 umgeben ist. Dieser Prozess wird gefolgt von der Ablagerung der oberen ohmschen Kontakte 32 in der Einbuchtung 31.
Wenn eine Spannung zwischen den oberen Kontakten 32 und dem unteren Kontakt 15b angewendet wird, fliesst eine Spannung entlang der Schicht 20 vom n-Typ in Richtung der Öffnungsregion 25 und danach durch die aktive Region. Der Vorteil des Gebrauchs eines oberen DBR 12b mit all den undotierten Schichten, mit Ausnahme der oberen Schicht 30, liegt in einer reduzierten Lichtabsorption in dem DBR, durch welches Licht von der Vorrichtung extrahiert wird, was es erlaubt, die VCSEL Emissionsleistung zu erhöhen.
Wenden wir uns nun den 8–10 zu, in denen eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert ist. 300 zeigt schematisch eine VCSEL Vorrichtungsstruktur 300 in der Form einer Reihe von VCSEL mit mehrfacher Wellenlänge, welche in dem vorliegenden Beispiel eine Reihe von drei VCSEL Vorrichtungen 300a, 300b und 300c umfasst, welche jeweils in einer anderen Wellenlänge λ₁, λ₂ und λ₃ emittieren. 9 und 10 veranschaulichen die Herstellung der Vorrichtungsstruktur 300.
Die Emission von verschiedenen Wellenlängen wird erhalten, indem verschiedene Längen L₁, L₂ und L₃ des strukturierten aktiven Resonatormaterials in jeweils benachbarten Vorrichtungen 300a, 300b und 300c bereitgestellt werden, bzw. durch verschiedene Höhen der Tafelberge 33, 34 und 35. Ringförmige ohmsche Kontakte 36, 37 und 38 werden auf dem oberen n-Typ DBR 12b angebracht, nachdem das obere GaAs Substrate selektiv geätzt wurde. Danach werden durch ein reaktives Plasmaätzen in Cl₂-CH₄-Ar in dem oberen DBR 12b die Isolationstafelbergstrukturen 39, 40 und 41 geformt. Jeder der ringförmigen Kontakte 36, 37, 38 und die korrespondierenden Isolationstafelbergstrukturen 39, 40 und 41 sind in bezug auf eine vertikale Achse zentriert, die durch das Zentrum des korrespondierenden Tafelberges 33, 34, 35 läuft. Durch die Anwendung einer direkten Spannung zwischen einem der oberen Kontakte 36, 37 oder 38 und einem unteren Kontakt wird ein Stromfluss durch die aktive Region der jeweiligen VCSEL Vorrichtung (330a, 330 oder 330c) erzeugt und Licht wird in Abhängigkeit von der Länge des Resonators der speziellen Vorrichtung bei einer jeweiligen Wellenlänge emittiert.
Für die Telekommunikationsanwendungen ist es wichtig, die Emissionswellenlänge der Laser in einer Reihe von VCSEL mit mehrfacher Wellenlänge genau zu kontrollieren derart, dass eine gleiche Teilung Δλ der Wellenlänge zwischen den VCSELs in der Reihe erreicht wird. Das kann erreicht werden, in dem eine gleiche Teilung ΔL der Resonatorlänge von benachbarten Vorrichtungen sichergestellt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung, wie sie in der 9 gezeigt ist, werden Schichten 22a und 22b der Tunnelverbindung auf dem InP basierten Resonatormaterial gezüchtet und dann werden zwei Paare 42 der InP-InGaAsP Schichten gezüchtet. Jede Schicht in den Paar-Schichten InP-InGaAsP hat eine Dicke von 10 nm und eine n-Typ Dotierungsgrad von 5·10¹⁷ cm^–3. Die Zusammensetzung der InGaAsP entspricht einem PL_max von 1.4 μm. Allgemein ist die zusätzliche Schicht vom n-Typ zusammengesetzt von einer gewünschten Anzahl von Paaren N_P jeder Schicht, wobei jedes Paar zwei Schichten verschiedener chemischer Zusammensetzung hat. Die Beziehung zwischen der gewünschten Anzahl von getrennten Wellenlängen N und N_P ist N_P = N – 1.
Um die Tafelberge 43, 44, 45, zu formen (10) wird der oben beschriebene Prozess der Bildung von Schichten gefolgt von selektivem Ätzen der Schichten 42 und der Tunnelverbindung 22a und 22b in einer H₃PO₄:H₂O₂:H₂O basierten Lösung und HCL bis eine Schicht 20 von p-Typ des InP basierten Resonatormaterials erreicht ist. Jeder der Tafelberge 43, 44 und 45 hat einen Durchmesser von 10 μm.
Wir kommen zurück zu 8, in der der oben beschriebene Prozess des selektiven Ätzens durch ein präzises Trimmen des Tafelberges durch Fotolithographie und selektives Ätzen in einer H₃PO₄:H₂O₂:H₂O basierten Lösung und in HCl gefolgt wird, was in der Bildung der Tafelberge 33, 34 und 35 mit verschiedenen Höhen resultiert. Tafelberg 35 setzt sich zusammen aus den Tunnelverbindungsschichten 22a und 22b und aus zwei verschiedenen Schichten 42 mit einer Gesamthöhe von 70 nm. Tafelberg 34 setzt sich zusammen aus den Tunnelverbindungsschichten 22a und 22b und dem Paar von Schichten 42 mit einer Gesamthöhe von 50 nm. Tafelberg 33 setzt sich nur aus den Tunnelverbindungsschichten 22a und 22b zusammen und hat eine Höhe von 30 nm. Der Unterschied zwischen der Länge des optischen Resonators von jeweils zwei benachbarten VCSEL Vorrichtungen in der Reihe (300a und 300b, 300b und 300c) ist gleich (20 nm multipliziert mit dem effektiven Brechungsindex der InP-InPGaAsP Paarschichten), was es erlaubt, eine gleiche Differenz Δλ zwischen den Wellenlängen von benachbarten VCSELs zu erhalten. In diesem speziellen Beispiel sind die Werte der Emissionswellenlängen der Vorrichtungen mit den Tafelbergen 33, 34 und 35 mit Werten von 1520 nm, 1538 nm und 1556 nm gemessen worden, was in einem Δλ von 18 nm resultiert.
Um Tafelberge von verschiedener Höhe bereitzustellen enden manche Tafelberge mit einer zusätzlichen Schicht vom n-Typ auf der n⁺⁺ Schicht 22b der Tunnelverbindung. Die zusätzliche Schicht von n-Typ setzt sich zusammen aus einer Reihe von Paaren von Schichten, wobei jedes Paar zwei verschiedene Schichten von verschiedener chemischer Zusammensetzung hat. Ein Anteil der zusätzlichen Schicht vom n-Typ in dem jeweiligen Tafelberg hat eine Differenz der Dicke im Vergleich zu derjenigen der anderen Tafelberge. Wenn d als die Dicke der zusätzlichen Schicht vom n-Typ ist, wie sie aufgetragen wird und bevor N verschiedene Tafelberge geätzt werden, ist die Dicke d_i der verbleibenden Teile davon in dem i-ten Tafelberg (i = 1, 2, ... N) di' ≅ (i – 1)d/N(–1) nach dem selektiven Ätzen von dieser Schicht. Diese Dicke d_i überschreitet 1/8 der Emissionswellenlänge in der jeweiligen VCSEL Vorrichtung nicht, d.h. ungefähr 60 nm.
Diejenigen, die in der Technik ausgebildet sind, werden sofort anerkennen, dass das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie hierin zuvor exemplarisch beschrieben, durch zahlreiche Modifikationen und Veränderungen abgeändert werden kann, ohne von dem Schutzumfang, der in und durch die angehängten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Eine Vorrichtungsstruktur (10) eines vertikalen, einen Resonator umfassenden und an der Oberfläche emittierenden Lasers (VCSEL), welche eine Struktur (14) von halbleitenden aktiven Resonatormaterial umfasst, die zwischen oberen und unteren Stapeln (12a, 12b) von verteilten Bragg Reflektoren (DBR) gelegen ist, der obere DBR (12b) enthält mindestens eine halbleitende Schicht vom n-Typ, und welche Vorrichtungsstruktur eine aktive Region zur Erzeugung von Licht in Antwort von Anwendung von direkter Spannung zu Vorrichtungskontakten (15) bestimmt, in welcher – besagtes aktives Resonatormaterial einen Stapel von Multiquantenschachtschichten (18) umfasst, welcher zwischen oberen und unteren Abstandsregionen (16a, 16b) gelegen ist, die obere Abstandsregion (16b) endet mit einer p-Schicht (20) und einer p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindung auf der p-Schicht, jede von der p⁺⁺- und p-Schicht stellt eine Schicht von einem p-Typ dar, mindestens die obere n⁺⁺-Schicht von der Tunnelverbindung ragt als Tafelberg (22) aus der darunterliegenden Schicht vom p-Typ heraus, eine strukturierte Oberfläche (14b) von dem aktiven Resonatormaterial (14) ist von einer oberen Oberfläche des Tafelbergs (22) und einer oberen Oberfläche von der Schicht vom p-Typ ausserhalb des Tafelbergs (22) geformt, – die besagte aktive Region ist durch eine Stromöffnung (25) bestimmt, die den von einem Luftspalt zwischen der verschmolzenen strukturierten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials (14) und der Oberfläche der halbleitenden Schicht von n-Typ des oberen DBR-Stabels (12b) umgebenen Tafelberg enthält.
Die Vorrichtungsstruktur gemäss Anspruch 1, in welcher sich die besagte Tunnelverbindung an einem Minimum eines optischen Feldes einer stehenden Welle der Vorrichtungsstruktur befindet und eine Dicke von 20 bis 50 nm aufweist.
Die Vorrichtungsstruktur gemäss Anspruch 1, in welcher das aktive Resonatormaterial (14) eine elektrische begrenzende Schicht (28) in dem Resonatormaterial ausserhalb des Tafelberges umfasst.
Die Vorrichtungsstruktur gemäss Anspruch 3, in welcher die besagte begrenzende Schicht (28) eine Ionen implementierte Schicht ist.
Die Vorrichtungsstruktur gemäss Anspruch 1, und zusätzlich umfassend mindestens eine zusätzlich aktive Region zwischen den oberen und den unteren DBRs (12a, 12b), welche mit zusätzlichen elektrischen Kontakten zwischen der aktiven Resonatorstruktur und dem DBR-Stapel für einen elektrischen Stromfluss dadurch ausgestattet ist, die besagte zusätzlich aktive Region ist bestimmt durch einen zusätzlichen Tafelberg, der von einem Luftspalt zwischen der verschmolzenen strukturierten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials und der Oberfläche der halbleitenden Schicht von n-Typ des oberen DBR-Stabels umgeben ist, die mindestens zwei aktiven Regionen sind beanstandet voneinander angeordnet.
Die Vorrichtungsstruktur gemäss Anspruch 5, in welcher die mindestens zwei Tafelberge unterschiedliche Höhen haben, die mindestens zwei aktive Regionen jeweils so betrieben werden können, dass durch die DBRs in den zwei aktiven Regionen emittiertes Licht unterschiedliche Wellenlängen hat.
Die Vorrichtungsstruktur gemäss Anspruch 6, in welcher der besagte mindestens eine zusätzliche Tafelberg mit einer zusätzlichen Schicht vom n-Typ auf der n⁺⁺-Schicht der Tunnelverbindung endet, deren Dicke 1/8 der emittierten Wellenlänge in der VCSEL-Struktur nicht überschreitet.
Die Vorrichtungsstruktur gemäss Anspruch 7, in welcher die zusätzliche Schicht vom n-Typ aus einer gewissen Nummer von Paaren von Schichten zusammen gesetzt ist, wobei jedes Paar zwei Schichten von unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung hat.
Die Vorrichtungsstruktur gemäss Anspruch 8, in welcher N solcher zusätzlichen Tafelberge vorhanden sind, jeder der zusätzlichen Tafelberge enthält die zusätzliche Schicht vom n-Typ von unterschiedlicher Dicke im Vergleich mit derjenigen von den anderen Tafelbergen.
Die Vorrichtungsstruktur gemäss Anspruch 9, in welcher der Unterschied zwischen den Dickewerten des aktiven Resonatormaterials festgelegt jeweils durch zwei sich nebeneinander befindende aktive Regionen gleich ist, dabei festlegend eine gleiche Trennung der Wellenlänge von Licht, welches durch die DBRs zwischen jeweils zwei sich nebeneinander befindenden aktiven Regionen ausgesandt wird.
Ein Verfahren zur Herstellung von einer Vorrichtungsstruktur (10) eines vertikalen, einen Resonator umfassenden und an der Oberfläche emittierenden Lasers (VCSEL), das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte: (i) Züchten eines halbleitenden aktiven Resonatormaterials (14) mit einem Stapel von Multiquantenschachtschichten (18), der zwischen oberen und unteren Abstandsregionen (16a, 16b) gelegen ist, die obere Abstandsregion 16b endet mit einer Schicht 20 und einer p⁺⁺/n⁺⁺ Tunnelverbindungsstruktur auf der besagten p-Schicht, wobei jede der p⁺⁺- und p-Schicht eine Schicht vom p-Typ darstellt; (ii) Ätzen des aktiven Resonatormaterials (14), welches in Schritt (i) gebildet wurde, um einen Tafelberg zu formen, welcher mindestens eine obere n⁺⁺ Schicht enthält, die aus der darunterliegenden Schicht vom p-Typ herausragt, wobei dabei eine strukturierte Oberfläche (14b) des aktiven Resonatormaterials (14) geschaffen wird, geformt von einer oberen Oberfläche des Tafelbergs (22) und einer oberen Oberfläche von der Schicht vom p-Typ ausserhalb des Tafelbergs (22), (iii) Anwendung einer Waferfusion zwischen der strukturierten Oberfläche (14b) des aktiven Resonatormaterials (14) und einer im wesentlichen ebenen Oberfläche einer halbleitenden Schicht vom n-Typ eines ersten verteilten Bragg Reflektorsstapels (14b) (DBR), wobei eine Deformation von der verschmolzenen Oberfläche um den Tafelberg herum geschaffen wird und eine Öffnungsregion (25) zum Fluss eines elektrischen Stroms dadurch festgelegt wird, die Öffnungsregion (25) enthält den von einem sich zwischen den deformierten verschmolzenen Oberflächen befindenden Luftspalt (24) umgebenen Tafelberg (22) und legt eine aktive Region der Vorrichtung fest; (iv) ein zweiter DBR-Stapel (12a) wird auf der Oberfläche des aktiven Resonatormaterials (14) gegenüber der strukturierten Oberfläche (14b) geschaffen; (v) ohmsche Kontakte (15) werden auf der VCSEL-Vorrichtungsstruktur angebracht, um einen Stromfluss durch die Stromöffnung (25) zu der aktiven Region (14) zu ermöglichen.
Das Verfahren gemäss Anspruch 11, in welchem das aktive Resonatormaterial auf einem InP-Substrat (26) gezüchtet wird.
Das Verfahren gemäss Anspruch 11, in welchem sich die besagte Tunnelverbindung an einem Minimum eines optischen Feldes einer stehenden Welle der Vorrichtungsstruktur befindet und eine Dicke von 20 bis 50 nm aufweist.
Das Verfahren gemäss Anspruch 11, welches zusätzlich den Schritt der Bildung einer elektrischen begrenzenden Schicht (28) in der Resonatormaterialstruktur ausserhalb des Tafelberges enthält (22).
Das Verfahren gemäss Anspruch 14, im welchem zur Bildung der elektrischen begrenzenden Schicht (28) eine Ionenimplantation von der Oberfläche des aktiven Resonatormaterials (14) oberhalb des Tafelberges (22) umfasst, wobei photoresistente Scheiben als Masken verwendet werden, die Bildung geschieht durch Plazieren der Scheiben derart, dass sie konzentrisch mit dem Tafelberg sind, wobei eine Ionenimplantationsschicht geschaffen wird, die an einen äusseren Rand des Luftspalts reicht und sich ausserhalb der aktiven Region befindet.
Das Verfahren gemäss Anspruch 11, und zusätzlich mit dem Schritt einer Bildung von mindestens einer zusätzlich aktiven Region gelegen zwischen dem ersten und dem zweiten DBR-Stapel (12a, 12b) beginnend von dem aktiven Resonatormaterial, und der Bildung von ohmschen Kontakten auf der VCSEL-Vorrichtungsstruktur, um einen Stromfluss durch die zusätzlich aktive Region zu ermöglichen, die besagte mindestens eine zusätzlich aktive Region enthält einen zusätzlichen Tafelberg, der von einem Luftspalt zwischen der verschmolzenen strukturierten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials und der Oberfläche der halbleitenden Schicht vom n-Typ des DBR-Stapels umgeben ist.
Das Verfahren gemäss Anspruch 16, in welchem die Bildung von der besagten mindestens einen zusätzlichen Region den Schritt der Bereitstellung einer zusätzlichen Schicht vom n-Typ beinhaltet, deren Dicke 1/8 der emittierten Wellenlänge in der VCSEL-Struktur nicht überschreitet, das besagte Ätzen derart ausgeführt wird, dass mindestens ein zusätzlicher Tafelberg geschaffen wird, der mit der besagten zusätzlichen Schicht vom n-Typ endet.
Das Verfahren gemäss Anspruch 17, in welchem das Ätzen so ausgeführt wird, dass mindestens zwei zusätzliche Tafelberge geschaffen werden, jeder von diesen zusätzlichen Tafelbergen enthält einen Teil von der besagten zusätzlichen Schicht vom n-Typ mit einer anderen Dicke im Vergleich mit derjenigen des anderen zusätzlichen Tafelbergs.
Das Verfahren gemäss Anspruch 11, in welchem beide DBRs (12a, 12b) aus AlA- und GaAs-Schichten gemacht sind.
Das Verfahren gemäss Anspruch 11, in welchem der zweite DBR-Stapel (12a) an der besagten Oberfläche des aktiven Resonatormaterials (14) durch Waferfusion gefestigt ist.