DE69205388T2

DE69205388T2 - Oberflächenemittierender Laser.

Info

Publication number: DE69205388T2
Application number: DE69205388T
Authority: DE
Inventors: Jack Lee Jewell; Axel Scherer
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1991-11-01
Filing date: 1992-10-21
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2012-10-22
Also published as: CA2078483A1; EP0540239B1; JP3373230B2; DE69205388D1; TW295315U; HK33996A; US5206872A; CA2078483C; JPH05218579A; EP0540239A1; KR930011343A; KR100249072B1

Description

Stand der Technik

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Kategorie von Lasern einschließlich Lasern mit senkrechtem Resonator, deren Konstruktion als flächenstrahlende Laser bekannt ist. Insbesondere scheinen solche Vorrichtungen dem Wunsch nach integrierbaren Lasern zu genügen - Lasern, die in optoelektronischen integrierten Schaltungen und auch in ganz optischen Schaltungen dienen können. In Betracht gezogene integrierte Schaltungen können Elektronik - im allgemeinen Halbleiterelektronik - enthalten, die sowohl dem Betreiben der Laser als auch anderen Zwecken dient.

Beschreibung des Standes der Technik

Praktisch von Anfang an hat das Erscheinen des Lasers Erwartungen einer weitverbreiteten Verwendung in integrierten Schaltungen sowohl zusätzlich zu Elektronikschaltungen als auch in ganz photonischen Schaltungen hervorgerufen. Die Entwicklung des elektrisch gepumpten pn-Übergangslasers versprach, den Wunsch zu erfüllen. Trotzdem sind kommerziell brauchbare integrierte Laser noch nicht Wirklichkeit. Obwohl es eine Vielzahl an Hindernissen gab, stehen Stromwärmeverluste in Verbindung mit hohen Laserschwellwerten im Mittelpunkt. Für spezialisierte Anwendungszwecke reichen gekühlte Schaltungen unter Umständen aus; für allgemeine Anwendung ist ein wirtschaftlicherer Ansatz erforderlich.
Die Bemühungen in der ganzen Welt sind dem sehr vielversprechenden flächenstrahlenden Laser, auch Laser mit senkrechtem Resonator genannt, zugewandt, und man ist allgemein der Meinung, daß dieser Ansatz den richtigen Weg zu wirtschaftlich machbaren OEIC weist. Es ist möglich, daß die vorwiegenden SEL auf aktiven Gebieten basieren werden, die eine oder mehrere Quantenmulden enthalten, obwohl aktive Gebiete auf Basis von Vollmaterial nicht außer Rechnung zu stellen sind. Einführung und jüngste Entwicklungen verfolgende Literaturstellen sind:
Y. Arakawa und A. Yariv, "IEEE J. Quantum Electron.", QE- 21, 1666 (1985); Gourley et al., "Applied Physics Letters" 49 (9), 489 (1986) und J. L. Jewell et al., "Optical Engineering", 29, 210-214 (1990).
Gegenwärtig richten sich die Bemühungen auf eine SEL-Struktur, die aus einem aktiven Gebiet eines pn- Übergangs besteht, in dem Photonen als Reaktion auf Pumpstrom erzeugt werden - ein aktives Gebiet, das in den frühesten Arbeiten auf "Vollmaterial" wahrscheinlich homogener Zusammensetzung basiert und sich in späteren Arbeiten Quantenmulden oder einer Übergitterstruktur bedient. Die Anzahl von Quantenmulden bzw. allgemeiner gesagt die Stärke der aktiven, Photonen erzeugenden Materialschicht diktiert unausweichbar den Laserschwellwert. Eine gewünschte Verringerung der Stromerwärmung hat zu einer abnehmenden Anzahl von Quantenmulden geführt, was zu der Struktur mit zwei oder einer Quantenmulde nach US-Patent 4,999,842 vom 12. März 1991 führte. Die wirkungsvollste Kavitation beruht auf dem sich aus der Verwendung von verteilten Bragg Reflektoren ergebenden sehr hohen Reflexionsvermögen (mit weit über 99%, zum Beispiel für Spiegelstrukturen mit mehr als 20 Paaren beidseitig des aktiven Gebiets). US-Patent 4,999,842 beschreibt eine Struktur mit einem Laserstrahlungsschwellwert bei 7 Mikrowatt/um² für DBR mit 24-paarigen 1/4 Wellenlängen (1/4 λ -) starken Schichten von GaAs und AlAs, die ein aktives Gebiet umfassen, das auf einer 80 Å - Aktivschicht von In0,2Ga0,8As (1/32-Wellenlängen- Quantenmulde) basiert, die bei 980 nm emittiert.
Obwohl die beschriebenen Arbeiten annehmbare Laserschwellwerte im aktiven Material selbst ergeben haben, ist die Erwärmung aufgrund eines hohen Reihenwiderstandes im SEL-Pumpenkreis - einem Kreis mit einem p- DBR, dem aktiven Gebiet und einem n-DBR - weiterhin ein Problem. Der Gesamtleistungswirkungsgrad und die maximale von SEL erhältliche Leistung sind weiterhin niedrig im Vergleich zu den von randstrahlenden Strukturen erhältlichen (circa 5% Wirkungsgrad und 1 mW Ausgangsleistung für SEL gegenüber 30% und 100 mW für randstrahlende Strukturen). Das Problem hat seine Ursache hauptsächlich im p- DBR - mit dem hohen Reihenwiderstand aufgrund der niedrigen Löcherbeweglichkeit und der hohen Lichtabsorption, die sich aus der erhöhten p-Dotierung ergibt, die zur Verringerung des Widerstandes eingeführt wurde. Weitgehende, auf dieses Problem gerichtete Bemühungen haben eine Optimierung der Schicht-Schicht Grenzflächen im Spiegel ergeben (was Dauerstrich-Betrieb bei Raumtemperatur ohne Kühlkörper ermöglichte - aber nur auf dem angedeuteten Leistungsniveau). Zu anderen Bemühungen gehörten hohe p-Träger-Dotierhöhen entweder im gesamten DBR oder auf der niedrigsten Ebene (Y. J. Yang et al., App. Phys. Letters, Band 58, Seiten 1780 - 1782 (April 1991)) und eine verringerte Anzahl von Bragg-Paaren (durch teilweisen oder sogar vollständigen Austausch von Bragg-Schichten gegen Silber). Beide Ansätze ergeben eine damit verbundene Lichtabsorption, um die differenzielle Quantenausbeute des Resonators zu verringern. Während der Kompromiß (niedrigerer Widerstand für niedrigere Quantenausbeute) eine nützliche Konstruktionserwägung ist, bleibt das Gesamtproblem ungelöst.

Darstellung der Erfindung

In Anspruch 1, dessen Oberbegriff Electronics Letters, Band 26, Nr. 19, 13.09.90, Seiten 1600 - 1601 entspricht, ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung definiert.
Die Erfindung richtet sich auf elektrisch gepumpte p-n-Übergangs-Laserstrukturen, die durch SEL beispielhaft dargestellt sind, bei denen die Stromerwärmung für eine gegebene Laserausgangsleistung verringert wird, indem ein Teil oder das ganze eines DBR aus dem elektrischen Pumpenkreis entfernt wird. Erfindungsgemäße Strukturen sind von der Positionierung einer Schichtenelektrode zwischen der p-Seite des aktiven Gebiets und mindestens dem Hauptteil des DBR auf dieser Strukturseite abhängig. Betrieblich gesehen sind bevorzugte Strukturen von der Beseitigung eines Teils oder des ganzen des anderen DBR abhängig - wünschenswerterweise der Gesamtheit beider Spiegel aus der elektrischen Schaltung, und sind von der Positionierung von Elektrodenschichten beidseitig des Aktivgebietes abhängig - wobei das letztere wie im einzelnen beschrieben wahrscheinlich passives Schichtmaterial ("primäre Abstandshalter") mit einer solchen Stärke enthält, daß das aktive (photonenerzeugende) Material auf die Spitze der sich ergebenden Stehwelle (der photonischen Stehwelle während des Laserbetriebs) zentriert wird. Nach der bekannten Praxis erhöht die Verringerung der Stärke der so plazierten aktiven Materialschicht den Wirkungsgrad, mit dem erzeugte Photonen zur Stehwelle beitragen, und verringert dabei Verluste aufgrund einer Absorption der Stehwellenenergie. Aus drei Schichten - (1) Abstandhalter, (2) Schicht aktiven Materials, (3) Abstandhalter - bestehende aktive Gebiete in einer beispielhaften Struktur sind von einer Stärke von 1/2 λ. Für die meisten Zwecke ist es nützlich, ein solches aktives Gebiet zusammen mit zugehörigen umfassenden Gebieten - einschließlich mindestens einer Elektrodenschicht und möglicherweise einem sekundären Abstandhalter - so zu betrachten, daß sie zusammen einen Resonator auf voller Wellenlänge λ definieren. Die bevorzugte Struktur einschließlich einer weiteren Elektrodenschicht und möglicherweise einem weiteren zugehörigen sekundären Abstandhalter weist dieselbe Gesamtstärke auf - wahrscheinlich mit Stärke λ. Das in einem solchen Resonator enthaltene Material kann einer Zusatzfunktion dienen - z.B. der sekundäre Abstandhalter kann zur Verbesserung des Reflexionsvermögens dienen und kann dementsprechend als Teil eines benachbarten Spiegels angesehen werden.
Ein wesentlicher betrieblicher Vorteil von erfindungsgemäßen SEL beruht auf Konstruktionsveränderungen, die durch die Grundlehre erlaubt sind. Zusätzlich zu Strukturen, bei denen der Vorteil durch Beseitigung des ganzen oder eines Teils des n-DBRs (und auch des Hauptübeltäters - des p-DBRs) erlangt ist, erlaubt die Trennung von elektrischer und optischer Funktion weitere Leistungsvorteile. Nicht länger im Pumpenkreis enthaltene DBR bzw. DBR-Teile können nunmehr optisch optimiert werden. Zu einer solchen Modifikation gehört die Beseitigung von photonenabsorbierendem Dotiermittel mit bedeutenden Fremdatomen aus dem ausgeschlossenen Teil oder der Gesamtheit des DBRS auf der p-Seite des Übergangs der (vormals) p-DBR-Schichten. Diese Elektrodenschicht wird (relativ zur Laserstrahlung, die nach der gebräuchlichen Begriffsweise als senkrecht beschrieben wird) seitlich kontaktiert. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt eine gleichartige Elektrode unter dem aktiven Gebiet, oder als Alternative wird zum Pumpen der Struktur eine gebräuchliche Substratelektrode benutzt. Solche ausgeschlossenen DBR, möglicherweise aus undotiertem Halbleiter, möglicherweise aus dielektrischem Material, weisen möglicherweise einen spezifischen Widerstand von 10&supmin;¹ Ohm-cm oder höher auf.
Ein Hauptwert solcher Elektrodenschichten - mindestens der Schicht, die p-DBR-Schichten im Pumpenkreis ersetzt - besteht im verringerten Widerstand im Pumpenkreis. Die obigen Betrachtungen führen zu einem beliebigen einer Vielzahl von Elektrodenmaterialien. Aus dem Leistungsstandpunkt sind Elektroden wünschenswerterweise metallisch, z.B. Gold. Damit wird die geringste Elektrodenstärke (für eine vorgeschriebene Leitung) ermöglicht, um geringste Photonenabsorption zu ergeben (bei unveränderlicher Elektrodenplazierung mittig auf einem Stehwellenknoten). Die Hauptüberlegung, bei der nichtmetallische Elektroden in Betracht gezogen werden können, ist die Herstellung - Kristallgitteranpassung, um epitaxiales Wachstum zu ermöglichen, z.B. von sekundären Abstandshalter- und DBR-Schichten, kann auf die Verwendung von Halbmetall oder hochdotiertem Halbleitermaterial deuten. Obwohl es sich als vorteilhaft erweist, z.B. indem es epitaxiales Wachstum erlaubt, wird durch einen derartigen Austausch aufgrund der mit der erhöhten Elektrodenstärke verbundenen erhöhten Photonenabsorption die Quantenausbeute verringert. Durch größere Schicht- Schicht-Variation der Brechzahl, die durch nichtepitaxiale Wachstumsverfahren erlaubt wird, z.B. durch Magnetronzerstäubung, wird eine Beschränkung des Resonatorwirkungsgrades Q gelindert, um die Betriebsweise weiter zu verbessern. Bei der Wahl des Elektrodenmaterials ist dies ein Faktor - nichtepitaxiales DBR- Wachstum kann bei Elektroden aus Halbmetall oder Halbleiter sowie auch aus Metall sogar vorteilhaft sein. Zur Zeit führt eine relativ geringe Indexvariation bei für Epitaxie geeigneten Materialien zu nichtepitaxialen DBR-Wachstumsverfahren für Werte längerer Wellenlängen - λ > 1 um, gemessen im Vakuum (z.B. mit 1,3 oder 1,55 um).
Die Betrachtung ist zutreffend, daß die erfindungsgemäße Lehre die Trennung von optischen und elektrischen Erwägungen bei der DBR-Konstruktion/-Herstellung erlaubt. Demnach wird durch die Lockerung des Erfordernisses für p- oder sogar n-Dotierung der DBR ein Freiheitsgrad hinzugegeben. Die DBR-Herstellung beispielsweise durch Aufdampfungsverfahren wird nicht durch das Erfordernis der Einführung und Steuerung von Dotiermittel kompliziert. Mit der nunmehr erlaubten Verwendung von dielektrischen Spiegeln wird die Absorption verringert: erstens aufgrund der durch eine höhere Schicht- Schicht-Brechzahlvariation erlaubten verringerten Stärke und zweitens aufgrund der Minimierung von Trägerabsorption. Eine solche Erwägung kann selbst die Verwendung einer zweiten Elektrodenschicht unter dem aktiven Gebiet diktieren, um die Verwendung undotierter DBR oben und unten zu erlauben.
Verbesserte Strukturen der Erfindung werden eine wesentliche Einwirkung auf eine Vielzahl von Anwendungen wie optisches Rechnen, optische Zusammenschaltung, Laser- Schnelldruck und bei sichtbaren Lasern sowie Anzeigen haben. Daraus resultierende Vorrichtungen, die möglicherweise auf OEIC mit beschriebenen Laserelementen basieren, bilden einen wesentlichen Teil des erfindungsgemäßen Fortschritts.

Allgemeine Beschreibung

Es ist zweckdienlich, die erfindungsgemäße Lehre im Zusammenhang mit den heute weltweite Aufmerksamkeit erhaltenden SEL-Strukturen zu beschreiben. Die Erfindung ist etwas umfassender, indem sie auf Strukturen beruht, bei denen die Laserresonanz derartig gerichtet ist, daß sie eine bedeutende Komponente in der Richtung des elektrischen Pumpens aufweist. Die Beobachtung, daß die Absorption bei ordnungsgemäß angeordneten Elektrodenschichten mit Stärken von weniger als circa 1/4 Wellenlänge von geringerer Bedeutung sein kann, ist für jede solche Struktur, bei der die Resonanzenergie mindestens teilweise über die Elektrode übertragen wird, von wesentlicher Bedeutung. Strukturen, bei denen die Resonanz konstruktionsmäßig nicht zur elektrischen Pumprichtung parallel ist, können daraus Nutzen ziehen.
Es wird beschrieben, daß Vorrichtungen "pn- Übergänge" enthalten. In Wirklichkeit können verschiedene Erwägungen zu einer Schicht aus aktivem Material führen, die nominell Eigenleitfähigkeit aufweist. Der sich ergebende Ubergang kann zutreffend mit "pin" bezeichnet werden. Eine derartige Variation ist als in der allgemeinen Bezugnahme auf "pn" oder "Übergang" usw. enthalten anzusehen.
Der Schwerpunkt der Erfindung liegt nicht hauptsächlich auf der genauen Beschaffenheit von Spiegeln, die auf verteilter kooperativer gleichphasiger Reflexion aufgrund einer Änderung der Brechzahl zwischen 1/4-λ-Spiegelschichten basieren. Obgleich sich daraus ergebende Strukturen in der Tat von Bragg-Reflexion abhängig sind, können sie sich im einzelnen von gebräuchlichen DBR unterscheiden. Beispielsweise ist es nicht erforderlich, daß alternative Schichten aus Perioden von Paaren mit identischer Brechzahl bestehen. Paare können eine unterschiedliche Brechzahl aufweisen, um einen abgestuften Reflexionsgrad zu ergeben, und es können zusätzliche Schichten eingeschlossen sein, um beispielsweise triplette oder Perioden höherer Ordnung zu ergeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Figur 1 ist eine schematische Darstellung der wesentlichen Merkmale des entsprechenden Teils eines SELs, auf den in der ausführlichen Beschreibung einer funktionierenden Vorrichtung nach der Erfindung Bezug genommen wird.
Figur 2 zeigt auf Koordinaten von Schichtstärke und Intensität eine Stehwelle in einem funktionsfähigen SEL, auf dessen Grundlage verschiedene Konstruktionskriterien einschließlich von Stehwellenüberlappungsfaktoren besprochen werden.
Figur 3 ist eine Aufrißansicht eines erfindungsgemäßen elektrisch gepumpten Lasers.
Figur 4 ist eine Perspektivansicht eines Teils einer integrierten Schaltung mit einer Gruppe von SEL.
Figur 5 ist ebenfalls eine Perspektivansicht einer integrierten Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Laserstruktur und einer elektronischen Antriebsschaltung.
Figur 6 ist ein Diagramm, in dem die Konstruktion eines beispielhaften aktiven Gebiets mit der bei dem Betrieb der Vorrichtung erzeugten Stehwelle in Beziehung gebracht wird, wobei Abszisseneinheiten Entfernung und Ordinateneinheiten Dotiermittelzusammensetzung sowie die das Gebiet selbst beschreibende sich ergebende Brechzahl und die Stromdichte hinsichtlich der Stehwelle ausdrücken.

Detaillierte Beschreibung

Terminologie

Die Beschreibung wird durch Definition der benutzten Terminologie erleichtert. Dies ist insbesondere von Wert angesichts der widersprüchlichen Anwendung vieler der Begriffe in den Literaturstellen.
Schicht aus aktivem Material - die Schicht des SELs, die hauptsächlich für die Photonengeneration als Reaktion auf Pumpenstrom verantwortlich ist.
Aktives Gebiet - Schichtteil des SELs mit der Schicht aus aktivem Material, allgemein einschließlich der Schichtung passiver Schichten (primärer Abstandshalterschichten) und möglicherweise von einer Elektrodenschicht auf mindestens einer Oberfläche begrenzt - möglicherweise der oberen Oberfläche, wodurch diese Elektrode den traditionellen p-DBR im elektrischen Pumpkreis ersetzt. Aus dem Betriebsstandpunkt kann, wenn es keine niedrigere Elektrodenschicht gibt, das aktive Gebiet nützlicherweise als durch den Spiegel definiert angesehen werden - gewöhnlicherweise einem n-DBR auf der Unterseite.
Primärer Abstandhalter - Schichtmaterial im aktiven Gebiet, das die Schicht aus aktivem Material umfaßt. Gebräuchliche Konstruktionsweise diktiert, daß primäre Abstandshalterschichten mit bedeutenden Störstellen p- auf einer Seite der Schicht aus aktivem Material und n- auf der anderen Seite der Schicht aus aktivem Material dotiert sind und damit den für die in Betracht gezogenen elektrisch gepumpten Laserstrukturen der Erfindung erforderlichen pn-Übergang definieren oder dazu beitragen. Geschichtetes Material zusätzlich zur Schicht aus aktivem Material und Abstandshalterschichten in dem aktiven Gebiet, die beispielsweise als Teil eines DBRs dienen, weist eine dem Übergang entsprechende Leitfähigkeit auf und ist allgemein p- oder n-Leitfähigkeit. Für die meisten Zwecke wird zusätzliches geschichtetes Material im aktiven Gebiet als Teil des primären Abstandshalters angesehen.
Elektrodenschicht - die Schicht, die der Ansteuerung (zum Pumpen) des aktiven Gebiets mindestens auf der p-Seite des SELs dient. Zusammen mit einer wahlweise gepaarten Elektrodenschicht oder als Alternative zusammen mit einer gebräuchlichen Elektrodenschicht auf der Unterseite eines n-dotierten DBRs definieren sie das aktive Gebiet.
Sekundärer Abstandhalter - Jedes passive Material, das hinsichtlich der Photonenerzeugung oder der Spiegelfunktion geringe Auswirkungen hat, außerhalb des aktiven Gebiets - im allgemeinen im Kontakt mit einer Elektrodenschicht. Wie schon besprochen, ist ein sekundärer Abstandhalter wahlfrei, wenn der primäre Abstandhalter relativ zur entsprechenden DBR-Schicht eine niedrige Brechzahl aufweist - wünschenswert, wenn der primäre Abstandhalter eine relativ hohe Brechzahl aufweist, um Elektrodenschichtpositionierung sicherzustellen, damit sie einem Energietal in der Stehwelle entspricht.
Bei der zur Offenbarung führenden Entwicklung wurde die p-Elektrode in einen Abstandhalter eingefügt und ergab damit "sekundäre" und "primäre" Abstandhalter. Erste kommerzielle Vorrichtungen können diese Konstruktion aufweisen, obwohl hinsichtlich sekundärer Erwägungen Variationen bestehen können - beispielsweise kann der sekundäre Abstandhalter eine abgeänderte Brechzahl aufweisen, um das Reflexionsvermögen nachfolgender DBR- Schichten besser zu vervollständigen.

Konstruktionskriterien

Unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 werden Erfordernisse der erfindungsgemäßen SEL-Struktur besprochen. Die wesentlichen dargestellten Merkmale sind: Schicht 10 aus aktivem Material, möglicherweise bestehend aus einer oder mehreren Quantenmuldenschichten wie beispielsweise im US-Patent 4,999,842 beschrieben oder als Alternative aus Volumen- oder Übergittermaterial. Die durch den erfindungsgemäßen Ansatz gebotene Verbesserung des Leistungswirkungsgrades erhöht die Möglichkeit der Kommerzialisierung der Einquantenmuldenstruktur dieses Patents und es ist nützlich, die Schicht 10 als eine einzige oder geringe Anzahl von Quantenmulden enthaltend anzusehen. Auf alle Fälle ist die Schicht 10 in der Besprechung zwischen primären Abstandhalterschichten 11 und 12 zwischengeschichtet. Obwohl diese Schichten als aus fortlaufendem Material bestehend gezeigt sind, das eine gleichförmige oder abgestufte Zusammensetzung aufweisen kann, können sie getrennt identifizierbare Schichten enthalten, zum Beispiel können Schichten 11 oder 12 als DBR-Schichten dienende Gebiete enthalten oder die Schicht 10 kann als Quantenmulden in Mehrquantenmuldenstrukturen dienende Gebiete enthalten. Die Abstufung der Zusammensetzung der Schichten 11 oder 12 kann dazu dienen, sekundäre Konstruktionskriterien zu fördern, z.B. die Verringerung des elektrischen Widerstandes zwischen einer Elektrode und der Schicht aus aktivem Material. Die Abstandshalterschichten 11 und 12 sind mit bedeutenden Störstellen - z.B. p- bzw. n-Störstellen - dotiert (obwohl erfindungsgemäße Strukturen von einem oberen p-Gebiet zur Bildung des erforderlichen Übergangs abhängen können, ist es nicht länger ein Konstruktionsnachteil, den Übergang umzukehren, insbesondere bei bevorzugten Strukturen, bei denen beide DBR aus dem Pumpenkreis ausgeschlossen sind). Die Betrachtungsweise ist zweckdienlich, daß der Resonator folgendes enthält: sekundäre Abstandshalterschicht (bzw. DBR-Schicht) 16; Elektrodenschicht 14; primäre Abstandshalterschicht 11; Schicht 10 aus aktivem Material; primäre Abstandshalterschicht 12; und, wenn vorhanden, zusammen mit darunterliegender Elektrodenschicht 15 und jeglicher sekundärer Abstandshalterschicht 13. Die Struktur wird durch DBR- Spiegel 19 und 20 vervollständigt. Pfeile 21 und 22 stellen den den Betrieb ergebenden Loch- und Elektronenfluß dar. Leitfähige Schichten können aus Metall oder aus Halbmetall bestehen oder halbleitend sein. Die Auswahl ist von verschiedenen Faktoren abhängig - im allgemeinen Auswahl aufgrund eines Kompromisses zwischen Leistung und Herstellungsleichtigkeit/-kosten. Die Verwendung von Metall, z.B. Gold, Silber, Titan mit einem spezifischen Widerstand vielleicht von der Größenordnung von 10&supmin;&sup6; - 10&supmin;&sup5; Ohm-cm begünstigt die Energieerhaltung (und bietet auf alle Fälle einen niedrigeren Stromwärmeverlust des Pumpenkreises als der eines Kreises mit den DBR- Spiegelschichten, die nunmehr aus dem elektrischen Kreis entfernt sind). Untersuchungsarbeiten führten zur Verwendung einer solchen Metallschicht mit einer Stärke von vielleicht 50-100 Å (bzw. von der Größenordnung von Hundertsteln einer 1/4-Wellenlänge). Nichtmetallische Elektrodenschichten - Halbmetall oder Halbleiter (wobei der letztere bis zu 10²¹ Träger/cm³ enthält) sind insbesondere für Strahlung auf kürzerer Wellenlänge geeignet - z.B. 0,850 um. Eine Schichtstärke von 1/12 λ und 1/4 λ für Halbmetall- bzw. Halbleiterelektroden ergibt einen Leitwert, der dem von Metallelektroden gleicht. Da die Leitfähigkeit für Material mit geringerem Bandabstand höher ist, kann die Elektrodenstärke unterproportional bei längerer Wellenlänge für dieselbe Leitfähigkeit erhöht werden und damit der Absorptionsverlust verringert und die vorteilhafte Verwendung von Halbleiterelektroden verstärkt werden.
Gebiete oberhalb der Elektrodenschicht 14 und unterhalb des Abstandshalters 12 (unterhalb der Elektrodenschicht 15, sofern vorhanden) bestehen hauptsächlich aus DBR 19 und 20 (obwohl sekundäre Abstandhalter 16 und 13 innerhalb der DBR liegen können).
Andere in der Figur dargestellte Merkmale stellen bevorzugte Eigenschaften dar, können aber aus Wirtschaftlichkeitsgründen weggelassen werden. Solche Merkmale umfassen die umkreisende starke leitfähige Schicht 17 und 18 zur Verringerung der Impedanz im Pumpenkreis.
Die Figur 1 soll hauptsächlich als Grundlage für die obige Besprechung dienen, und nicht zur ausführlichen Darstellung von physikalischen Aufbauten. Die Besprechung betrifft größtenteils ein aktives Gebiet 10, das eine einzelne 1/2 Wellenlängen-Stehwelle unterstützt, und eine entsprechend plazierte einzelne Quantenmulde - wobei diese Mulde in der Mitte des Gebiets 10 liegt und damit Plazierung auf dem Scheitel der Stehwelle sicherstellt. Zu Variationen, die wirtschaftlichen und/oder Leistungszielen dienen können, können Volumen- oder Übergittermaterial und auch MQW-Strukturen gehören. Der erfindungsgemäße Fortschritt trägt bedeutenderweise zu einem erhöhten Laserwirkungsgrad bei und erhöht damit die Wahrscheinlichkeit der Kommerzialisierung von Einquantenmuldenvorrichtungen (nach US-Patent 4,999,842). Trotzdem erlaubt die sich aus der Fähigkeit, Schichten von mehreren 10 Å - bei Wellenlängen von tausenden von Å - zu definieren ergebende Konstruktionsflexibilität die Herstellung von Vorrichtungen mit aktiven Gebieten, die aus um aufeinanderfolgende Scheitel herum zentrierten aufeinanderfolgenden Quantenmulden oder aus aufeinanderfolgenden Schichten aus Volumen- oder Übergittermaterial bestehen. Im allgemeinen wird weiterhin bevorzugt, daß jedes Material der aktiven Schicht an einem einzigen Stehwellenscheitel positioniert ist, so daß MQW- Strukturen wahrscheinlich nicht mehr als die 6-7 Quantenmulden enthalten, die innerhalb von 1/4 Wellenlänge um einen Scheitel herum passen können.
Wie anderswo in dieser Beschreibung können, obwohl Quantenmuldenstrukturen gewiß aus dem Leistungsstandpunkt heraus bevorzugt werden, andere Erwägungen, die größtenteils die Herstellungskosten betreffen, die Verwendung von aktivem Volumen- oder Übergittermaterial diktieren.
In der Figur 2, einer Aufzeichnung auf Koordinaten von Schichtstärke 8 auf der Ordinate und Intensität auf der Abszisse, ist die Stehwelle für den Mittelteil einer repräsentativen Struktur 30 dargestellt. Die gezeigte Struktur besteht aus einer zwischen primären Abstandshalterschichten 32 und 33 zwischengeschichteten Schicht 31 aus aktivem Material. Die als gebrochene Linien dargestellten Elektrodenschichten 34 und 35 kontaktieren die primären Abstandshalterschichten. Schichten 36 und 37 können sekundäre Abstandshalter oder als Alternative erste DBR-Spiegelschichten darstellen. Wie besprochen, dient die Verwendung von sekundären Abstandshaltern unter anderem der Sicherstellung einer Lageentsprechung der Elektrodenschichten 34 und 35 zu Nullen der Stehwelle 37 - die möglicherweise z.B. auf der p-Seite der Struktur benötigt wird, wenn der primäre Abstandhalter, z.B. die Schicht 32, eine hohe Brechzahl n relativ zur ersten DBR-Spiegelschicht aufweist. In Fällen, in denen der primäre Abstandhalter relativ zur nächstgelegenen Spiegelschicht eine niedrige Brechzahl aufweist, kann der sekundäre Abstandhalter weggelassen werden. Unter solchen Umständen können Schichten 36 und/oder 37 als Spiegelschichten angesehen werden. Wenn man die Spiegelstrukturen als prototypische DBR ansieht, weisen die gepaarten Schichten oberhalb des sekundären Abstandhalters 36 eine niedrige, hohe, niedrige, hohe Brechzahl entsprechend den Schichten 39-42 in dieser Reihenfolge auf. Wenn die Schicht 36 als DBR-Schicht dient, weist sie eine hohe Brechzahl auf. Der DBR auf der Unterseite ist symmetrisch, so daß die Schicht 41 eine niedrige Brechzahl aufweist, usw.
Die Schicht 31 aus aktivem Material weist eine Stärke entsprechend 1/4 λ auf, bzw:
λ0/4n (Gl.1)
wobei:
λ&sub0; die im Vakuum gemessene Wellenlänge,
n = Brechzahl des aktiven Materials ist.
Eine Elektrodenschicht aus Gold oder sonstigem hochleitfähigen Metall, so wie sie experimentell benutzt wird, bietet nützliche Leitfähigkeit in einer Stärke in der Größenordnung von 100 Å (circa 1/100 einer in der Metallschicht gemessenen 1/4-Wellenlänge). Elektrodenschichtmaterial aus Halbmetall oder stark dotiertem Halbleiter, das immer noch genügend Leitfähigkeit für eine Stärke unterhalb der 1/4 λ, dem erlaubten Maximum, bietet, kann in einem Stärkebereich von circa 1/10-1/12λ oder 1/2-1/4λ dienen (wie anderswo in dieser Beschreibung sind diese Messungen als beispielhaft und nicht als begrenzend dargestellt - tatsächliche Grenzen sind von einer Anzahl Faktoren abhängig, z. B. den seitlichen Abmessungen des Lasers)
Die Absorption einer dünnen auf einer Null zentrierten Elektrodenschicht (oder sonstigem Film) beträgt:
wobei:
α= Absorptionskoeffizient
γ= Überlappungsfaktor nach Gl. 3 oder Gl.4
L= Filmstärke
Der Überlappungsfaktor γ eines auf einem Scheitel der (auf einem Wellenbauch zentrierten) Stehwelle zentrierten Films beträgt:
wobei:
θ= Schichtstärke in Radianten aus Gl.5.
Der Überlappungsfaktor eines auf einer Nullstelle der Stehwelle zentrierten Filmes beträgt:
wobei:
Schichtstärke in Radianten θ = π nL/γ&sub0; (Gl.5)
Die oben berechnete Absorption gilt für den hypothetischen Zustand eines Reflexionsvermögens von null für die Elektrodenschicht. In Wirklichkeit weist eine metallische Elektrodenschicht ein bedeutendes zugehöriges Reflexionsvermögen auf, um eine vergrößerte Durchlauflänge - möglicherweise entsprechend zehn Reflexionsfällen - für Strahlung zu ergeben, die für den hypothetischen Zustand nur einen einzigen Durchlauf aufweist. Die Absorptionsverluste steigen linear mit Durchlauflänge an. Obwohl das Reflexionsvermögen mit Halbmetall- und Halbleiter-Elektrodenschichten endlich ist, beträgt es weniger als das der in Betracht gezogenen Metalle.
Die Figur 3 zeigt eine SEL-Struktur 50 mit einem aktiven Gebiet 51 und Bragg-Spiegeln 52 und 53. DBR 52 besteht aus 1/4-λ-Bragg-Schichten 54 und 55 mit abwechselnd niedriger und hoher Brechzahl und der Spiegel 53 besteht aus gleichartigen Schichten 56 und 57 mit niedriger und hoher Brechzahl, wie in der Beschreibung der Figur 2 besprochen wurde. Die Figur 3A stellt eine erfindungsgemäße Ausführungsform dar, nach der in dem SEL eine dünne metallische, vom aktiven Gebiet 59 durch den primären Abstandshalter 60 getrennte Elektrodenschicht 58 vorgesehen ist. Bei der gezeigten Konstruktion ist der gewünschte Stromfluß durch eine relativ starke leitfähige Schicht 61 sichergestellt, an die eine nichtgezeigte Stromversorgungsschaltung angeschaltet ist. Das Schichtgebiet 61 steht im leitfähigen Kontakt mit der Elektrodenschicht 58 und umringt sie, wobei sich die letztere innerhalb des Funktionsteils des Lasers 50 befindet. Die Schicht 62 auf der Elektrodenschicht 58 ist die sekundäre Abstandshalterschicht, wie die primäre Abstandshalterschicht 60 aus passivem Material - die wünschenswerterweise eingeschlossen ist, so wie es besprochen wurde, wobei der primäre Abstandshalter 60 relativ zu der der untersten Spiegelschicht des DBRs 52 eine niedrige Brechzahl aufweist. Sie wird von Bragg-Schichten 54 und 55 gefolgt und kann selbst ebenfalls als eine Funktionsschicht des DBRs 52 dienen. Die in der Figur 3A gezeigte Anordnung ist von der niedrigeren Elektrode 63 abhängig, die zusammen mit der Elektrodenschicht 58 und mittels nicht gezeigter elektrischer Schaltungen den Laser elektrisch pumpt. Die relativen gezeigten Proportionen sind ziemlich repräsentativ für die Verwendung eines Halbmetalls, eines starkdotierten Halbleiters oder einer Metallelektrodenschicht 58. Die Konstruktion der Figur 3A ist von dem Stromsperrgebiet 64 für die Kanalisierung von Pumpenstrom durch die umkreiste Schicht 59 aus aktiven Material abhängig. Die Struktur ist durch 1/4-Wellenlängen-Schichten 56 und 57 mit abwechselnd niedriger und hoher Brechzahl auf der Unterseite vervollständigt, die zusammen den DBR 53 darstellen, und durch Substrat 65, wobei das letztere n-dotiert ist, wenn es als Teil des Pumpenkreises einschließlich der Elektrode 63 dient. Der erforderliche pn-Übergang in der Schicht 59 aus aktivem Material ist die Folge des p-dotierten Abstandshalters 60 und n-dotierten DBR 53, der möglicherweise dem Spiegel 52 gleicht und möglicherweise nicht gleicht.
Die Figur 38 zeigt eine Version der erfindungsgemäßen Struktur ähnlich der Figur 3A, die von einer zweiten, relativ dünnen, möglicherweise metallischen Elektrodenschicht 58' mit der sie umkreisenden stärkeren leitfähigen Schicht 61' abhängig ist, die über dem (möglicherweise relativ starken) primären Abstandshalter 60' liegt. Die Konstruktion erlaubt das Weglassen der darunterliegenden Elektrode 63 und auch die Verwendung eines undotierten niedrigeren DBR-Spiegels 53, der möglicherweise dem Spiegel 52 gleich ist und möglicherweise nicht gleich ist. Ansonsten ist die Struktur der Figur 38 die in Figur 3A gezeigte.
Die Figur 4 zeigt eine Gruppe von Lasern 70, die im einzelnen der beispielsweise in einer der Figuren 3A oder 3B gezeigten Konstruktion entsprechen können. Das stützende Substrat 71 kann im Fall der Ausführungsform der Figur 3A für das epitaxiale Ziehen des Bragg-Spiegels 53 gedient haben. Sonstige Variationen können die Entfernung des gitterangepaßten Substrats nach einem solchen epitaxialen Wachstum bedeuten, um einen Austausch gegen mechanisch zu bevorzugendes Material, beispielsweise für sicherere Stützung, zu erlauben.
Die Figur 5 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines OEICs, der aus einem Laser 80 zusammen mit Antriebselektronik 81 auf einem gemeinsamen Substrat 82 besteht. Die Ansteuerung der Struktur 80 findet mittels der Leitung 83 statt, die eine obere Elektrodenschicht wie beispielsweise die Schicht 58 von einer der Figuren 3A oder 3B kontaktiert. Ein zweiter nicht gezeigter Stromweg kann gegebenenfalls eine niedrigere Elektrodenschicht oder als Alternative eine darunterliegende Elektrode wie beispielsweise die Elektrode 58' der Figur 3 kontaktieren.
Die Figur 6 besteht aus drei Figuren 6A, 6B und 6C. Die Figur 6A zeigt auf Koordinaten mit Strom auf der Ordinaten und Entfernung auf der Abszisse die Stehwelle 89, die von einer Talstärke eines minimalen Stromwertes (null) 90 zu maximalem Stromwert (bzw. Scheitel) 91 verläuft. Die Schicht 92 aus aktivem Material ist in einer ordnungsgemäß konstruierten Struktur auf dem Stehwellenscheitel 91 zentriert. Das aktive Gebiet enthält die primären Abstandshalter 93 und 94, zwischen denen die Schicht 92 aus aktivem Material zwischengeschichtet ist, um zusammen eine 1/2 λ-Stärke zu definieren. Mit der an der Nullstelle 90 zentrierten Elektrodenschicht 95 wird die dargestellte Struktur vervollständigt.
Die Figur 6B stellt auf Koordinaten von Leitfähigkeits-Zusammensetzungsvariation (in einem Fall der Variation des Al-Gehalts in AlGaAs) auf der Ordinaten und Entfernung auf der Abszisse eine Struktur der Zusammensetzung dar, die zum Erzeugen der Stehwelle der Figur 6A dient. Auf Grundlage von GaAs in diesem Fall mit Al- Gehalt im Bereich von 0% über die Schicht 92 aus aktivem Material zu abgestuften Zusammensetzungen mit maximalem Aluminiumgehalt von 40% in den zwischenschichtenden primären Abstandhaltern 93 und 94. Der primäre Abstandhalter 94 erreicht eine wünschenswerte Überkreuzung zwischen Schleifenwiderstand und Photonenabsorption mit Erhöhung des Aluminiumgehalts im Bereich 96 (im Bereich von 25-40 at.% für das gezeigte Beispiel) und Verringerung des Aluminiumgehalts auf 0% oder in der Nähe von 0% im Gebiet 97 zur Verringerung der Leitfähigkeitssperre und Erhöhung des Stromflusses. Die Spiegelschichten 98 und 99, in diesem Fall mit 15% Al, vervollständigen diesen Teil der diagrammatisch dargestellten Struktur.
Figur 6C mit Brechzahl n in Ordinateneinheiten und mit Entfernung in denselben Abszisseneinheiten zeigt die Veränderung von n in Abhängigkeit von den in 6B gezeigten Zusammensetzungsänderungen. Die Numerierung ist dieselbe wie bei Figur 6B.
In der Tabelle sind Eigenschaften aufgeführt, die bei dem Vergleichen veränderter Konstruktionen (Beispiele 4-9) mit in der technischen Literatur behandelten Konstruktionen des Standes der Technik (Beispiele 1-3) nützlich sind. Es ist klar, daß der erfindungsgemäße Fortschritt nützlich in eine Vielzahl von Konstruktionen einverleibt werden kann, von denen manche noch nicht ans Licht des Tages getreten sind. Es ist nicht sinnvoll, alle derartigen gegenwärtig in Betracht gezogenen Strukturen zu beschreiben und noch viel weniger, zukünftige Konstruktionen vorhersagen zu wollen. Der volle Umfang der Erfindung wird durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
Die in den Spaltenköpfen angeführten Konstruktionsparameter sind die für die Vorrichtungskonstruktion hinsichtlich des Erfindungsschwerpunktes relevanten. Spaltenköpfe sind hauptsächlich für Beispiele 2-9 relevant und größtenteils nicht auf die Bezugsvorrichtung des Standes der Technik des Beispiels 1 anwendbar. In Reihenfolge der Spalten sind die Konstruktionsparameter:
"Material" - für den Pumpenkreis relevantes Material (in bezug auf Beispiele 1 bis 5, bezeichnet Dotierhöhe des Halbleitermaterials in der p-seitigen Elektrodenschicht der Schaltung; in bezug auf Beispiele 6 bis 9, bezeichnet Halbmetall- oder Metallzusammensetzung der Elektrodenschicht). Beispiel 9 sieht auch eine zweite leitende Schicht auf der n-Seite des SELs vor. Das für Vergleichszwecke eingeschlossene Beispiel 1 betrifft eine "Standard-" Struktur nach dem Stand der Technik mit einem senkrecht angesteuerten p-dotierten 19-Perioden-DBR im Pumpenkreis.
"Stärke" ist die der oberen Elektrodenschicht für Beispiele 2-9. Bei Beispiel 1 betrifft es die Eindringtiefe der Resonanzstrahlung in einen GaAs-AlAs-DBR. In der dritten Spalte sind Werte von spezifischem Widerstand der oberen Elektrodenschicht in Einheiten von Mikro Ohm- cm aufgelistet.
Das Absorptionsvermögen α ist das der Elektrodenschicht ausgedrückt in Einheiten von cm&supmin;¹.
A ist die Absorption für einen einzigen Durchlauf (bzw. pro Durchlauf) für Laser-Resonanzstrahlung für den gesamten resultierenden SEL einschließlich beider Spiegel.
In den nächsten zwei Spalten werden Resonator- Quantenausbeute 71 ebenfalls auf dieser Grundlage aufgeführt - als erstes für ein Spiegelreflektionsvermögen von 99,0% und in der nächsten Spalte die Quantenausbeute auf derselben Grundlage für ein Spiegelreflektionsvermögen von 99,8%.
In der nächsten Spalte werden Werte des elektrischen Widerstandes r der p-Seite der SEL-Struktur - für Beispiele 2-9 ausschließlich des oberen DBR - d.h. des p- Materials und der zugehörigen Elektrodenschicht aufgeführt.
In der letzten Spalte wird das Produkt von r und Ap, der Absorption für einen einzigen Durchlauf der p- Seite des SEL aufgeführt. Dieses Produkt ist eine nützliche Gütezahl bei der Auswertung von Vorteilen, die durch erfindungsgemäße Strukturen realisiert werden.
Dem Fachmann sind weitere relevante Konstruktionsinformationen gut bekannt und brauchen daher hier nicht eingeschlossen werden. Solche Informationen sind aus der Literatur ersichtlich, man sehe beispielsweise in "Stand der Technik" aufgeführte Literaturstellen. Beispiel Material Stärke
In Beispielen 2 bis 9 findet die Verkleinerung des Pumpenkreises aufgrund der Beseitigung des oberen bzw. p- dotierten DBRs statt, während das Endbeispiel 9 auf eine Struktur gerichtet ist, bei der die untere DBR-Struktur ebenfalls beseitigt ist. Beispiele 1 bis 8 verwenden eine "gebräuchliche" Unterseitenelektrode aus einem n-Kontakt, der elektrisch mit der Unterseite des unteren n-dotierten DBRs entsprechend gegenwärtigen SEL-Konstruktionen verbunden ist. Die Besprechung findet hauptsächlich in bezug auf Laserstrahlung bei 0,85 um statt. Natürlich ist eine solche Besprechung nur beispielhaft - es wird erwartet, daß eine mögliche bedeutende kommerzielle Anwendung bald die Form einer Strahlung bei längeren Wellenlängen, beispielsweise bei 1,3 um und 1,55 um annehmen wird. Nach der Besprechung ist der erfindungsgemäße Fortschritt bei seiner Ausübung bei solchen längeren Wellenlängen besonders vorteilhaft.
Bei allen außer dem Beispiel 9 ist der untere n- Kontakt, z.B. die Elektrode 63 der Figur 3, so wie er bei SEL-Konstruktionen des Standes der Technik benutzt wurde. Stattdessen wird bei dem Beispiel 9 eine zweite Elektrodenschicht auch auf der Unterseite angewandt. In bei 0,98 um arbeitenden aufgeführten Vorrichtungen sind obere bzw. p-Bragg-Spiegel auf Grundlage von GaAs/AlAs verwandt worden, die typisch auf eine Höhe von 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ Leitfähigkeit dotiert worden sind und dementsprechend ein Absorptionsvermögen α 50 cm&supmin;¹ ergeben. Die Verluste für einen solchen standardmäßigen p-Spiegel betragen dementsprechend annähernd 0,0025 (0,25%). Dieser Wert ist vergleichbar mit benötigten Höhen für Stromdichten mit annehmbar niedrigem Schwellwert und ist für SEL mit einer 1-4 Quantenmuldenstruktur erreichbar. Die Verringerung der externen differenziellen Quantenausbeute wird als Spiegelreflektionsvermögen R und Absorptionsverlust A nach folgendem Verhältnis ausgedrückt:
η = (1-R)/(A+1-R) (Gl.6)
wobei: η die Laser-Quantenausbeute ist (wobei externe Pumpenschaltungen außer acht gelassen werden) und andere Begriffe der obigen Definition entsprechen. Die dargestellte vereinfachte Gleichung gilt für R-Werte von 0,9 und besser, die die erfindungsgemäßen Strukturen qualifizieren.
In Beispielen 2-9 der Tabelle sind Leistungseigenschaften aufgeführt, bei denen die Ansteuerung auf der Oberseite des SEL - auf der p-Seite des SEL - von der Querleitfähigkeit einer Elektrodenschicht, z.B. Schicht 58 der Figur 3A abhängig ist, wobei Strom über die zugehörige starke leitfähige Schicht 61 eingeführt wird - um eine beinahe gleichförmige Stromverteilung über den p-dotierten Abstandhalter, z.B. Schicht 60, zu ergeben.
Die Tabelle wird unter Bezugnahme auf Beispielnummern beschrieben: Beispiel 1 - es wird ein "standardmäßiger" senkrecht gepumpter p-Spiegel verwendet, bei dem eine Dämpfung von 0,0025 auftritt, die, erhöht durch die konstante n-Absorption pro Durchlauf von 0,0005 (der experimentell bestimmte Wert wurde für alle Beispiele 1-8 als konstant angenommen), die angedeutete Gesamtabsorption pro Durchlauf "A" von 0,0030 ergibt, und im Resonator eine Quantenausbeute "η" von 0,77 und 0,40 für Spiegelreflexionsgrade von 99% bzw. 99,8%. Diese Werte von Reflexionsgraden, experimentell bei 0,98 um entsprechend 13 und 17 Bragg-Perioden treffen auf SEL mit circa 4 Quantenmulden bzw. einer Quantenmulde zu.
Beispiele 2-8 basieren auf der Verwendung einer Elektrodenschicht auf der p-Seite des Lasers, während das Beispiel 9 eine solche Schicht sowohl auf der p- als auch der n-Seite vorsieht. Für Vergleichszwecke kann man annehmen, daß alle Beispiele auf zwischen primäre und sekundäre Abstandhalter eingefügten Elektrodenschichten basieren. Für einige Zwecke kann die Gegenwart des wahlweisen "sekundären Abstandhalters", die sicherstellt, daß die Elektrodenschichtlage einer Nullstelle auf der Stehwelle entspricht, als die erste DBR-Schicht behandelt werden. Der wirkungsvollste Betrieb wird durch Verwendung einer solchen Schicht mit besten optischen Eigenschaften und Brechzahl zur wirkungsvollsten Förderung beider Ziele sichergestellt.
Für die meisten Zwecke erklärt sich die Tabelle selbst. Sie setzt Leitfähigkeit und infolgedessen erlaubte Stärke der Elektrodenschicht mit den SEL-Betrieb bestimmenden Eigenschaften ins Verhältnis. Aus einem Vergleich der Beispiele 2 bis 5, die alle die Elektrodenschichten aus dotiertem Halbleiter betreffen, ist ersichtlich, daß ein Verringern des spezifischen Widerstandes durch Zulassen einer abnehmenden Stärke die Absorption pro Durchlauf verringert, um wiederum eine verbesserte Resonatorquantenausbeute (Verhältnis von abgegebener Strahlung zu Resonanzstrahlung) zu ergeben. Das Beispiel 6 basiert auf einer Elektrodenschicht aus dem Halbmetall ErAs. Halbmetallelektrodenschichten sowie hochdotierte Halbleiterelektrodenschichten bieten einen Bereich von Kristallgitterparametern, um epitaxiales Wachstum nachfolgenden geschichteten Materials des sekundären Abstandhalters sowie DBR-Schichten zu erlauben. Ansonsten geeignete Elektrodenmetalle können Gitterparameter aufweisen, die epitaxiales Wachstum sowohl der Elektrodenschicht als auch nachfolgenden Materials erlauben. Beispielsweise sind sowohl NiAl als auch CoAl zulänglich an GaAs angepaßt. Diese hauptsächlich die Herstellung betreffende Erwägung ist bei Vorrichtungen mit längerer Wellenlänge (z.B. 1,3, 1,55 um) von geringerer Bedeutung, bei denen nichtepitaxiale Ziehverfahren sowieso dünnere und wirkungsvollere DBR-Strukturen bieten.

Ausführliche Konstruktionserwägungen

Ausgedehnte Bemühungen - sowohl Experimente als auch Untersuchungen - haben weitere Konstruktionserwägungen ergeben, die die zukünftige kommerzielle Realisierung bedeutend fördern. Ergebnisse dieser Bemühungen werden in diesem Abschnitt berichtet.

Elektrodenschicht

Die optimale Konstruktion der Elektrode stellt eine Überkreuzung zwischen der Ansteuer-/Pumpenfunktion und dem Vorrichtungsbetrieb dar. Die Haupterwägungen sind: elektrische, die den Pumpenkreis-Mindestwiderstand diktieren und allein zu starken Elektrodenschichten führen; und optische, insbesondere die optische Absorption, die zu dünnen Elektrodenschichten führt. Aus dem Standpunkt des Materials werden drei Arten von Elektrodenschichten in Betracht gezogen:
Vom Leistungsstandpunkt aus sind Metallschichten allgemein wünschenswert. Hohe Leitfähigkeiten ermöglichen dünne Schichten, die, wenn sie richtig an einer Nullstelle der Stehwelle positioniert sind, mit der geringsten Photonenenergie in Wechselwirkung treten und (trotz hohem Absorptionsvermögen) eine niedrige Absorption pro Durchlauf erlauben. Für Vorrichtungsleistung und -herstellung hat sich Gold als gute Wahl herausgestellt. Chemische Stabilität erlaubt eine beträchtliche zeitliche Freiheit in der Herstellung. Andere Erwägungen können Alternativen andeuten - höhere Schmelzpunkte von Wolfram und Titan können ein Vorteil sein - begrenzt Diffusion, um höhere Herstellungstemperaturen zu Kosten einiger Leistung zu erlauben. Silber, mit seiner geringeren Absorption für Strahlung kürzerer Wellenlänge führt zu seiner Inbetrachtziehung beispielsweise im sichtbaren Spektrum.
Tabellenbeispiele 7-9 basieren auf einer Schichtstärke von 50 Å. Obwohl die Leistung etwas darunter leidet, kann die Verwendung von einer etwas größeren Stärke bis 100 Å oder höher, beispielsweise bis 400 Å, wünschenswert sein, z.B. indem sie eine weniger anspruchsvolle Ablagerung erlaubt und/oder eine höhere Ausbeute ergibt.
Halbmetallschichten zeigen in weitergeführten Arbeiten eine sich verbessernde Vorrichtungsleistung, die sich der von Metall nähert. Eine Verringerung des Leistungskompromisses für Strahlung kürzerer Wellenlänge könnte aufgrund erlaubten epitaxialen Wachstums zu ihrer Bevorzugung führen. Tabellenbeispiel 6 basiert auf der Verwendung von ErAs, das bei einer Schichtstärke von viermal der der Metallschichten der Beispiele 7-8 vergleichbare Betriebseigenschaften ergibt. Bei solchen Stärken wird der im Verhältnis zu Metall vergrößerte Absorptionsabstand für die größere Stärke bei Halbmetall durch die sich aus der verringerten Trägerzahl ergebende Verringerung des Absorptionsvermögens kompensiert. Andere Halbmetalle bieten eine Reihe von Gitterparametern, die dem epitaxialen Wachstum bei in Betracht gezogenen DBR- Materialien genügen. Man sehe T. Sands et al., "Stable and Epitaxial Metal/III-V Semiconductor Heterostructures" (Stabile und epitaxiale Heterostrukturen aus Metall/A&sub3;B&sub5;- Halbleiter), Materials Science Reports, Band 5, Nr. 3 (November 1990). Veränderungen der Zusammensetzung von Halbmetallelektroden erlauben eine Einstellung der Gitterparameter ohne bedeutende Auswirkung auf die Leitfähigkeit. Als Beispiel ist ErAs Skandium zugefügt worden, um seine Gitterparameter denen von GaAs enger anzupassen, um ScXEr1-XAs zu ergeben, beispielsweise bei X = 0,32, und die Anpassung ist beinahe hundertprozentig. Vom elektrischen Standpunkt aus deuten verfügbare spezifische Widerstände, im allgemeinen im Bereich von 3 10&supmin;&sup5; bis 10&supmin;&sup4; Ohm-cm, auf Schichtstärken von 100 Å bis 400 Å für in Betracht gezogene Laserstrukturen mit symmetrischen aktiven Gebieten von circa 30x30um oder weniger. Im allgemeinen sind Trägerbeweglichkeiten in Halbmetallen größer als die in Metallen und führen bei entsprechender Leistung zu dünneren Elektrodenschichten als früher erwartet.
Halbleitermaterialien können genügend dotiert werden, um als dritte Materialvariante auf der Elektrodenschicht zu dienen. Beispiele 4 und 5 basieren auf GaAs, das auf Höhen von der Größenordnung von 10²&sup0;-10²¹ Träger/cm³ p-dotiert wurde, z. B. kohlenstoffdotiert entsprechend der Arbeit von C.R. Abernathy - siehe App. Phys. Let., Band 55, Nr. 17, Seiten 1750-2 (23. Oktober 1989). Solche Dotierhöhen haben eine Absorption pro Durchlauf ergeben, die wiederum mit der von Vorrichtungen mit metallischen Elektrodenschichten vergleichbar ist (man vergleiche Beispiel 5 mit Beispiel 8).

Das Substrat

Für die meisten Zwecke sind Substrate von minimaler Stärke, die noch eine hohe Ausbeute epitaxial gezogener Schichten sicherstellt, obwohl aus mechanischer Sicht irgendeine Mindeststärke von vielleicht 250 um wünschenswert sein kann. Diese letztere ist natürlich von den Abmessungen der Vorrichtung, der integrierten Schaltung bzw. des Wafers, dem Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein einer sonstigen Stütze usw. abhängig. Noch weitere Erwägungen führen zu der Verwendung eines zeitweiligen Substrats - z.B. zur Verwendung während der Herstellung/des Aufwachsens - das hinsichtlich der Vorrichtungsfunktion zu entfernen/ersetzen ist. Ein Beispiel von vielen ist die Entfernung von GaAs nach epitaxialem DBR- Wachstum, gefolgt von seinem Austausch gegen nicht angepaßtes Material, z.B. Diamant oder Glas, das in diesem Fall eine bessere Transparenz über den Bereich von 200- 920 nm bietet, um Ausstrahlung durch die Unterseite, gewöhnlich die n-Seite, der Laserstruktur zu erlauben. Bei einer Emission von Wellenlängen im Bereich 920-1000 nm weist GaAs im allgemeinen eine zureichende Transparenz auf. Bei noch längeren Wellenlängen von 1000-1655 nm wird InP nutzbar eingesetzt.
Abgesehen von Wachstumserfordernissen sind Vorrichtungsgröße und sonstige physikalische Erfordernisse die ausschlaggebenden Faktoren für Substratmaterial/- konstruktion für gewöhnliche Vorrichtungen mit Flächenstrahlung.

Aktives Gebiet

Dimensionierung hauptsächlich der eingeschlossenen Schicht aus aktivem Material ist in Betracht gezogen worden (größtenteils in der Beschreibung der Figur 2). Wie dort angedeutet, wird die Hauptfunktion der Photonenerzeugung bei minimalem Absorptionsverlust durch eine Schicht aus aktivem Material mit einer Stärke von 1/4 Wellenlänge, gemessen im aktiven Material (λ/4n), die zwischen primären Abstandshalterschichten mit relativ geringer Absorption zwischengefügt ist, optimiert. Die Gesamtstärke mit Zwischenschichten ist wiederum ein ganzzahliges Vielfaches von 1/2 Wellenlängen - in untersuchten Vorrichtungen ist ein solches aktives Gebiet von einer Stärke von einer Wellenlänge.
Die Wahl der Zusammensetzung des aktiven Materials beruht auf dem Fachmann wohlbekannten Basen. Ein Hauptfaktor betrifft die Emissionswellenlänge. Zu dieser Zeit ausführlich untersuchte Kategorien geeigneter Materialien beruhen auf modifiziertem GaAs für längere Wellenlängen in den Spektren des sichtbaren Bereichs und nahe dem sichtbaren Bereich und auf modifiziertem InP für sich weiter in das Infrarotspektrum erstreckende längere Wellenlängen. Beispielhafte aktive Materialien, die geeigneterweise durch Epitaxie auf Substraten solcher binären Zusammensetzungen von dreifach-Zwischenverbindungen und auch auf alternativen Zusammensetzungen gezogen werden, sind aus verschiedenen Literaturstellen, beispielsweise dem oben angegebenen US-Patent 4,999,842, bekannt. In solchen Literaturstellen wird über eine Anzahl von aktiven Materialien berichtet, die entweder als Volumenmaterial oder als Quantenmulden betrieben werden. Zweckdienlicherweise werden repräsentative Zusammensetzungen unter der zugehörigen Emissionswellenlänge tabellarisiert (durch "QW" nach der aktiven Zusammensetzung werden als Quantenmulden anstatt Volumenmaterial betriebene Materialien identifiziert): Aktives Material
Das aktive Gebiet, das im allgemeinen durch die Überbrückung von Spiegelstrukturen (im allgemeinen DBR) oder durch vorhandene Elektrodenschicht(en) definiert wird, enthält auch die primären Abstandhalter. Solchem Abstandhaltermaterial auferlegte Erfordernisse sind: vom Leistungsstandpunkt aus minimale Absorption für Laser- Resonanzstrahlung; vom Herstellungsstandpunkt aus Kristallgitterparameter, um epitaxiales Wachstum sowohl des Abstandhalters als auch nachfolgenden Materials (der Schicht aus aktivem Material und/oder sekundären Abstandshalter- oder DBR-Schicht) zu erlauben. Vom Abmessungsstandpunkt aus ist die Stärke eine solche, die die benötigte 1/2 λ oder das ganzzahlige Mehrfache davon ergibt (unter Berücksichtigung jedes Eindringens, beispielsweise in benachbarte DBR-Schichten).
Da primäre Abstandhalter sich im elektrischen Pumpenkreis befinden, sind sie als Teil des funktionierenden pn-Übergangslasers p- oder n-dotiert. In Betracht gezogene Strukturen sind manchmal auf abgestufte Dotierung/Leitfähigkeit basiert gewesen, wobei die Leitfähigkeit anstieg, um ein Maximum zu erreichen, wo sie eine Elektrodenschicht kontaktierten. Eine solche abgestufte Zusammensetzung verringert den elektrischen Widerstand an der Abstandhalter-Elektrodengrenzfläche.
Resonatorspiegel, die möglicherweise DBR sind, vielleicht gebräuchliche Reflektoren enthalten, um "hybride" Spiegel zu ergeben (siehe das am 5.2.91 herausgegebene US-Patent 4,991,179) sind gut bekannt. Abwechselnde Schichten von AlAs und AlXGa1-XAs, die eine Brechzahländerung von 3,0-3,5 ergeben, sind für Emissionswellenlängen von weniger als circa 1 um (gemessen im Vakuum) benutzt worden. Wie angegeben, sind die epitaxialen Aufwachsverfahren zutreffend. Bei einer Emission mit längerer Wellenlänge, z.B. bei 1,3, 1,55 um weisen die gemeldeten Materialien eine bedeutend geringere Brechzahlveränderung auf, so daß der Gesamtvorteil von nichtepitaxialem Wachstum (z.B. von Magnetronzerstäubungsablagerung) Gebrauch macht, bedeutsamerweise von abwechselnden Schichten von Si und SiO&sub2; mit Brechzahlunterschieden von 3,5-1,5, um den gewünschten Reflexionsgrad von 99+% für Strukturen von vielleicht 4 Spiegelperioden zu erlauben.
Das Reflexionsvermögen einer DBR-Grenzfläche ist zur Menge proportional
wobei:
n&sub1; = Brechzahl der DBR-Schicht mit geringerer Brechzahl
n&sub2; = Brechzahl der DBR-Schicht mit größerer Brechzahl
Untersuchungen führen zu Vorrichtungen, die ein Resonatorreflektionsvermögen von > 99,9% für DBR mit 28 Perioden von AlAs und 15% AlGaAs (Al&sub1;&sub5;Ga0,85As) bei einer Emission mit 0,85 um ergeben. DBR mit vier Perioden von Si und SiO&sub2; ergaben ein solches Reflexionsvermögen bei 1,3 um.
Allgemeine Bemerkungen - die erwarteten Auswirkungen der erfindungsgemäßen Lehre bewirkten ausgedehnte Erwägungen/Untersuchungen, die eine Entwicklungshöhe beträchtlicher Differenziertheit ergaben. In dem Wunsch, den Patentgesetzen zu entsprechen und nachfolgende gerichtliche Angriffe erfolgreich zu überstehen, wurde keine Mühe gescheut, eine volle Offenbarung zu bieten. Offenbarung ist durch genau diese Tiefgründigkeit der Lehre kompliziert worden. Viele Aspekte der beanspruchten Erfindung in ihrer gegenwärtigen Entwicklungsstufe stellen, indem sie in Betracht gezogene Probleme bei der Optimierung des Betriebes unter realen Bedingungen erwägen, Komplikationen dar, die die Beschreibung des allgemeinen Fortschrittes erschweren. Als Beispiel wird die prinzipielle Besprechung von Resonanzschwingung und verwandten Eigenschaften von beispielsweise λ durch sekundäre Konstruktionserwägungen kompliziert, die sich aus dem Eindringen der Resonanzenergie und durch mehrfache Reflexionen innerhalb einer Elektrodenschicht ergeben, um eine Vergrößerung der optischen Länge des Resonators zu bewirken. Experimentierung und Betrachtung sind auf eine Höhe fortgeschritten, auf der es nicht zutreffend ist, auf diese Weise korrigierte Resonatorabmessungen vorzusehen. Konstruktionen, die im Betrieb aus Elektrodenquerschnitten mit gezielt abgestufter Leitfähigkeit gewinnen können, verwehren selbst diese heute noch vereinfachend wirkende Annahme. Diese Erwägung wird weiterhin durch einen verhaltensmäßigen Unterschied auf Grundlage der Elektrodenkonstruktion kompliziert, der Grenzflächenreflektionsvermögen, -absorptionsvermögen und -stärke beeinflußt.
Größtenteils haben die Begriffsdefinition und Besprechung im Rahmen einer Vorrichtungskonstruktion stattgefunden, die einer Lehrbuchbeschreibung entspricht und wahrscheinlich dafür angenommen wird. Hinsichtlich des obigen Beispiels wird das aktive Gebiet anfänglich als nicht durch die Elektrodenschicht kompliziert beschrieben, während in Wirklichkeit ihre Gegenwart kompensiert werden muß. Die Beschreibung ist in diesem allgemeinen Format gegeben worden, wobei die anfängliche Besprechung der hypothetischen Struktur zuerst solche ausgeklügelten und manchmal sekundären Variationen außer acht ließ. Solchen Angelegenheiten ist nur in der nachfolgenden Beschreibung Aufmerksamkeit geschenkt worden. Auf gleiche Weise ist die Sprache der Ansprüche in einem gewissen Ausmaß notwendigerweise auf eine solche hypothetische Struktur bezogen.
Alle Bezeichnungsnummern in den beiliegenden Ansprüchen sind eingefügt, um den Erfordernissen der ausgebenden Stelle zu entsprechen. Ihre Einfügung dient nur Darstellungszwecken und beschränkt nicht den Umfang der Anprüche.

Claims

1. Vorrichtung mit mindestens einem elektrisch gepumpten Laser mit senkrechtem Resonator mit einem aktiven Bereich (10,11,12), der eine Halbleiterschicht aus aktivem Material (10) zur Erzeugung von Photonen zur Bewirkung von Laseremission enthält, wobei der besagte aktive Bereich Teile (11,12) mit p- und n-Leitfähigkeit umfaßt und einen Halbleiterübergang enthält, wobei der besagte aktive Bereich sich zwischen verteilten Bragg- Reflektoren (19,20) befindet, die jeweils eine Mehrzahl von Schichten mit relativ niedriger und hoher Brechzahl für die besagte Laseremission umfassen, zusammen mit Schaltungsmitteln zum elektrischen Hochpumpen des besagten aktiven Bereichs auf den Laserschwellwert, wobei die Laserwirkung das Vorhandensein einer Stehwelle innerhalb eines von den besagten Reflektoren umgrenzten Resonators mit sich bringt, wobei die besagten Schaltungsmittel eine Elektrodenschicht (14) enthalten, von der sich mindestens ein Teil außerhalb des besagten aktiven Bereichs und innerhalb des besagten Resonators befindet, wodurch mindestens ein Hauptteil eines Reflektors (19) von den Schaltwigsmitteln ausgeschlossen ist, wobei die besagte Elektrodenschicht eine ausreichende Leitfähigkeit aufweist, eine größere Gesamtleitung der besagten Schaltung als die einer Schaltung einschließlich des gesamten Reflektors zu bewirken, die auf eine Durchschnittsträgerkonzentration von 10¹&sup9; Träger/cm³ leitfähigkeitsdotiert ist, und wobei die Absorption für Laseremission aufgrund der Verringerung der Leitfähigkeitsdotierung des ausgeschlossenen Teils des besagten einen Reflektors teilweise verringert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des besagten Teils der Elektrodenschicht (14) innerhalb des Resonators geringer als 1/4 Wellenlänge der im Material des besagten Teils der Elektrodenschicht gemessenen Laseremission beträgt und daß die besagte Elektrodenschicht an einer Nullstelle in der besagten Stehwelle positioniert ist, um einen numerischen Wert von gleich oder weniger als 0,25 für das Produkt r Ap zu ergeben, wobei r der Schaltungswiderstand in Ohm dieses aus p-Material und der dazugehörigen Elektrodenschicht bestehenden Schaltungsteils ist und Ap die Photonenabsorption pro Durchgang für diesen Schaltungsteil, ausgedrückt als Bruchteil, ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus aktivem Material annähernd auf einem Scheitel der Stehwelle zentriert ist und die Stärke der besagten Schicht aus aktivem Material weniger als 1/2 Wellenlänge der Stehwelle beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Stärke der besagten Schicht aus aktivem Material maximal annähernd 1/4 Wellenlänge der Stehwelle beträgt.

4. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 oder 3, wobei im wesentlichen die Gesamtheit des besagten DBR-Reflektors sich auf der anderen Seite der besagten Elektrodenschicht als der besagte aktive Bereich befindet, so daß im wesentlichen die Gesamtheit von den Schaltungsmitteln ausgeschlossen ist, und wobei die besagte Elektrodenschicht mindestens ein aus der aus Gold, Wolfram, Molybdän, Kupfer, Titan, Silber, NiAl, CoAl und ErAs bestehenden Gruppe ausgewähltes Material umfaßt und die Elektrodenschicht eine Stärke von maximal annähernd 100 Å aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die besagte Elektrodenschicht im wesentlichen aus ScXEr1-XAs besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die besagten Schaltungsmittel einen Pumpenstrom bereitstellen, der im wesentlichen zur Richtung der Stehwelle im besagten aktiven Bereich parallel verläuft und wobei die Laseremission durch die Oberfläche der am weitesten vom aktiven Bereich entfernten ausgeschlossenen DBR-Schicht verläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die besagten Schaltungsmittel eine zwischen dem aktiven Bereich und dem zweiten DBR-Reflektor liegende zweite Elektrodenschicht enthalten, wodurch der zweite DBR-Reflektor ebenfalls von den Schaltungsmitteln ausgeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser auf einem Substrat getragen wird und wobei die Laseremission durch das Substrat stattfindet.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer eine Mehrzahl solcher Laser enthaltenden integrierten Schaltung.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die integrierte Schaltung eine optoelektronische integrierte Schaltung mit elektronischen Elementen in den Schaltungsmitteln ist.