DE69208137T2

DE69208137T2 - Halbleiterlaservorrichtung mit Selbstüberwachung

Info

Publication number: DE69208137T2
Application number: DE69208137T
Authority: DE
Inventors: Ghulam Hasnain; Kuochou Tai
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1992-04-24
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2012-04-25
Also published as: EP0511787B1; EP0511787A1; DE69208137D1; JP2981056B2; JPH05136530A; US5136603A

Description

Die Erfindung betrifft Haibleiterlaser und im speziellen einen selbstüberwachenden oberflächenemittierenden Laser mit einer vertikalen Kavität, der für eine Herstellung in großen ebenen Gruppierungen geeignet ist.

Hintergrund der Erfindung

Halbleiterlaser sind für eine große Vielfalt von Anwendungsgebieten einschließlich einer optischen Verbindung von integrierten Schaltungen, der Telekommunikation, Datenverarbeitungsanlagen und optischen Aufzeichnungssystemen attraktiv. Haibleiterlaser stellen eine kompakte Quelle von kohärentem monochromatischem Licht bereit, welches bei einer hohen Übertragungsgeschwindigkeit, um große Informationsmengen zu übertragen, moduliert werden kann. Weil eine Alterung und Temperaturveränderungen den Ausgangspegel des Lasers verändern, benötigen Halbleiterlaser typischerweise Überwachungsschaltungen, um eine dynamische Stabilisierung des Laserausgangs bereitzustellen.
Unglücklicherweise begunstigt die Geometrie der herkömmlichen kantenemittierenden Laser keine einfache Integration mit den anderen Bauteilen, die in Halbleiterlasersystemen verwendet werden. Kantenemittierende Laser emittieren kohärentes Licht entlang einer eingebetteten ebenen Oberfläche parallel zur Substratoberfläche Daher ist die Richtung der Lasertätigkeit bei typischen Halbleiterverfahren parallel zu den Wachstumsebenen. Als eine Folge werden kantenemittierende Laser typischerweise wie diskrete Einrichtungen hergestellt und getestet. Bei Gebrauch werden kantenemittierende Laser typischerweise mit getrennt hergestellten Modulatoren und Photodioden kombiniert. Daher schließt eine Herstellung eines Halbleiterlasersystems typischerweise ein zeitraubendes Zusammenbauen und Ausrichten von vielen diskreten Bauteilen mit ein.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Halbleiterlaser mit einer integral daran ausgebildeten Photodiode und/oder Modulator umfaßt einen aktiven Quantenmuldenbereich, der zwischen einem Paar von verteilten Bragg-Reflektorstapeln sandwichartig angeordnet ist, um Laserlicht quer zu den Wachstumsebenen zu emittieren. Eine intrinsische Schicht und eine dotierte Halbleiterschicht sind an einem der Reflektorstapel angeordnet, um zusammen mit der äußeren Schicht des Stapels eine Photodiode in der Bahn des emittierten Lichts zu bilden. Die Diode kann entweder zum Überwachen der Laserleistung oder zum Modulieren des Laserausgangs benutzt werden. Die Einrichtung ist besonders zur Herstellung und zum Testen in großen Anordnungen geeignet und besitzt zusätzlich die Vorteile eines kreisförmigen optischen Ausgangs mit geringer Abweichung, eines inhärenten Einzelmodenbetriebs und einer hohen zweidimensionalen Packungsdichte.
Die Halbleiterlasereinrichtung gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Figurenbeschreibung

Bei den zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 2 einen schematischen Stromlaufplan, der die tatsächliche Verbindung zwischen der Photodiode und dem Laser der Einrichtung aus Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Dunkelstrom- Spannungskenndaten der Dioden mit der Einrichtung aus Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die typischen Kenndaten der Lichtabgabe in Abhängigkeit des Stroms von der Laserdiode der Einrichtung aus Fig. 1 zeigt; und
Fig. 5 eine graphische Darstellung, die bei verschiedenen Sperrspannungen den Photodiodenstrom in Abhängigkeit des Durchlaß-Injektionsstroms des Lasers zeigt.

Detaillierte Beschreibung

Nachfolgend wird auf die Zeichnungen Bezug genommen; Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer integrierten Struktur mit im wesentlichen einem aktiven Quantenmuldenbereich 10, der zwischen einem Paar von verteilten Bragg-Reflektorstapeln 11 und 12 angeordnet ist. An einem der Stapel sind eine intrinsische Halbleiterschicht 13 und eine überlagernde dotierte Halbleiterschicht 14 angeordnet, die zusammen mit der äußeren Schicht des Stapels eine Photodiode in der Bahn des emittierten Lichts ausbilden. Wahlweise kann die Schicht 13 eine Mehrquantenmuldenstruktur sein, die abwechselnd aus Barriereschichten und Muldenschichten besteht. Die Photodiode kann zum Überwachen der Laserleistung oder zum Modulieren des Laserstrahls verwendet werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Einrichtung an einem Galliumarsenidsubstrat 15 hergestellt, das mit Verunreinigungen eines ersten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise n-Typ) dotiert ist. Der aktive Quantenmuldenbereich 10 umfaßt abwechselnde Schichten von Aluminiumgalliumarsenid-Barriereschichten und Galliumarsenid-Muldenschichten, und die Reflektorstapel 11 und 12 umfassen periodische Schichten von dotiertem Aluminiumgalliumarsenid und Aluminiumarsenid. In dem unteren, dem Substrat benachbarten Stapel 12 ist das Aluminiumgalliumarsenid mit demselben Verunreinigungstyp wie das Substrat (beispielsweise n-Typ) dotiert. In dem oberen Stapel 11 ist das Aluminiumgalliumarsenid mit dem anderen Verunreinigungstyp (beispielsweise p-Typ) dotiert.
Die Halbleiterschicht 13 ist vorzugsweise intrinsisches Galliumarsenid, und die dotierte Halbleiterschicht 14 besteht vorzugsweise aus n-dotiertem Aluminiumgalliumarsenid.
Ringförmige ohmsche Kontakte 16 und 17 sind jeweils an der Schicht 14 und der äußeren Schicht des oberen Stapels 11 ausgebildet. Diese Kontakte ermöglichen in Zusammenarbeit mit einem ohmschen Kontakt 18 zu dem Substrat ein geeignetes elektrisches Vorspannen von einer oder von beiden Dioden. Wenn die Laserdiode unter Einsatz der Kontakte 17 und 18 in Vorwärtsrichtung betrieben wird, emittiert der aktive Bereich 19 Licht 20, das durch den oberen Stapel 11 und die Schichten 13 und 14 dringt. Bei dieser Struktur arbeiten die Schichten 13 und 14 zusammen mit der äußeren Schicht des Stapels 11 wie eine integral in der Bahn des emittierten Lichts ausgebildete Photodiode. Die Photodiode kann, wenn sie unter Anwendung der Kontakte 16 und 17 vorgespannt ist, entweder zum Überwachen der Laserleistung oder zum Modulieren des Laserstrahls verwendet werden.
Fig. 2 zeigt einen entsprechenden Stromlaufplan der Photodiode/Laserdiodeneinrichtung aus Fig. 1. Die Photodiode ist mit PD und die Laserdiode mit LD gekennzeichnet. Die Laserdiodenspannung in Bezug auf die Erde ist mit VPD gekennzeichnet, der Strom mit IP. Die Laserdiodenspannung ist VLD und der Laserstrom IL. P-DBR und N-DBR geben die durch die verteilten Bragg-Reflektoren vorliegenden Widerstände wieder.
Wenn der Photodiodenstrom IP an eine Rückkopplungsschaltung angelegt wird, um den Laserstrom IL zu steuern, verhält sich die integrierte Struktur wie ein selbstüberwachender Laser. Auf der anderen Seite wird, wenn eine modulierte Vorspannung zwischen VPD und der Erde angelegt ist, eine Veränderung der Vorspannung den Absorptionskoeffizienten und den Brechungsindex der Photodiode verändern, wobei die Amplitude und/oder Phase des Laserausgangs moduliert wird. In diesem Fall arbeitet die Struktur wie ein integrierter Laser und Modulator.
Die bevorzugte Einrichtung kann auf herkömmliche Weise durch molekulare Strahlenepitaxie (MBE) hergestellt werden. Der erste Schritt besteht darin, ein Substrat 15 von n-dotiertem Galliumarsenid bereitzustellen und durch molekulare Strahlenepitaxie die Schichtenfolge mit der Einrichtung aus Fig. 1 aufzuwachsen einschließlich des unteren Reflektorstapels 12 des aktiven Quantenmuldenbereichs 10 des oberen Reflektorstapels 11 der intrinsischen Halbleiterschicht 13 und der dotierten Halbleiterschicht 14.
Der untere Reflektorstapel 12 wird durch Aufwachsen eines stufenförmig verteilten Bragg-Reflektors mit dreißig Schichtenperioden hergestellt. Jede Periode besteht aus 385 Å von Al0,15Ga0,85As, 125 Å von Al0,4Ga0,6As, 125 Å von Al0,7Ga0,3As, 450 Å von AlAs, 125 Å von Al0,7Ga0,3As und 125 Å von Al0,4Ga0,6As. Die AlGaAs-Schichten werden mit einer n-Typ- Verunreinigung, beispielsweise Silicium, bis zu einer Konzentration von 10¹&sup8;cm&supmin;³ dotiert.
Der Quantenmuldenbereich 10 wird durch MBE an dem unteren Reflektorstapel 12 aufgewachsen. Als ein Vorabschritt wird eine sich graduell ändernde Abstandschicht von AlxGa1-xAs am Stapel 12 aufgewachsen. Die Dicke der Abstandschicht wird vorzugsweise so gewählt, daß die zentrale Antinode der Stehwellen die Quantenmulden überlagert. Bei diesem Beispiel beträgt die Dicke etwa 2200 Å, und X ändert sich von 0,6 bis 0,3. Der an der Abstandsschicht aufgewachsene Quantenmuldenbereich umfaßt vier Quantenmulden, bestehend aus 100 Å dicken Muldenschichten von GaAs und 80 Å dicken Barriereschichten von Al0,2Aa0,8As. Eine zweite 2200 Å dicke, sich graduell ändernde AlxGa1-xAs-Abstandschicht wird über den Bereich aufgewachsen. Die beiden sich ändernden Abstandschichten bauen schichtenweise den aktiven Quantenmuldenbereich auf, um eine Einschluß-Heterostruktur zum wirkungsvollen Ladungstragereinfangen auszubilden.
Der obere Reflektorstapel 11 wird am Quantenmuldenbereich 10 und speziell an der oberen, sich ändernden Abstandschicht des Bereichs 10 aufgewachsen. Der obere Stapel 11 ist ähnlich dem unteren Stapel 12, außer daß der Stapel 11 eher p-dotiert anstatt n-dotiert ist, und der Stapel 11 weniger Perioden als der Stapel 12 umfaßt, so daß das Licht 20 emittiert wird. Im einzelnen kann der Stapel 11 mit Be bis zu einer Konzentration von 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ dotiert werden und umfaßt 20 Perioden anstatt 30.
Die intrinsische Halbleiterschicht 13 wird durch Aufwachsen einer Schicht von undotiertem Galliumarsenid an der p-dotierten äußeren Schicht des Stapels 11 ausgebildet. Vorzugsweise besitzt die Schicht 13 eine Dicke von einer halben Wellenlänge des emittierten Lichts, um eine Antinode in der Schicht 13 für eine wirksame Absorption zu zentrieren.
Die obere Schicht des dotierten Halbleiters 14 wird als n-dotiertes AlGaAs an der Schicht 13 aufgewachsen. Die Dicke der Schicht 14 beträgt vorzugsweise 3/4 einer Wellenlänge, beispielsweise 1820 Å.
Nachdem die einen Teil bildenden Schichten aufgewachsen sind, besteht der nächste Schritt darin, ohmsche Kontakte auszubilden und den Strom seitlich zu begrenzen. Der ohmsche Kontakt 16 wird, um die n-dotierte Schicht 14 zu kontaktieren, durch Abscheiden einer zusammengesetzten Schicht von Au/Ge/Ag/Au mit den jeweiligen Bauteildicken von 120, 270, 50 bzw. 1000 Å ausgebildet. Die zusammengesetzte Metalischicht wird photolithographisch gemustert, um einen Ring 16 mit einem Außendurchmesser von etwa 20 µm und einem Innendurchmesser von 10 µm zu bilden.
Vorteilhafterweise wird die Schicht 11 nach dem Ausbilden des ohmschen Kontakts 16 einer Protonenimplantation unterzogen, um den Strom zu dem unter dem Ring liegenden Bereich zu begrenzen. Dies kann erfolgen, indem der innere Kreis des Rings mit einem konzentrischen, 15 µm Durchmesser umfassenden Kreis eines 6 Mikron dicken Photoresists (nicht dargestellt) geschützt wird und der ungeschützte Teil der Oberfläche einer Protonenimplantation bei einer Dosis von 10¹&sup5; cm&supmin;² bei 300 kev ausgesetzt wird. Eine Implantation bei dieser Energie führt zu einer Ionenverschiebung mit Profilspitzen bei einer Tiefe von 2,5 µm. Die Struktur wird anschließend bei 450ºC für 30 s geglüht. Das Ergebnis ist eine sehr widerstandsfähige vergrabene Schicht&sub1; die durch einen eingepflanzten Schaden ausgebildet wird, der den Strom durch den 15 µm Durchmesser umfassenden, maskiert gewesenen, aktiven Bereich konzentriert.
Werden der Kontaktring 16 und der 15 µm umfassende Photoresistkreis wie eine Ätzmaske verwendet, kann eine 0,5 µm tiefe Mesa um den Ring 16 herum geätzt werden, endend an einer AlGaAs-Oberfläche des Stapels 11. Vorzugsweise wird reaktives Ionenätzen angewendet, um eine Mesa mit vertikalen Seitenwänden an der Peripherie des Rings 16 zu erhalten.
Als nächstes wird der ohmsche Kontakt 17 mit der nun freigelegten Al0,15Ga0,85As-Schicht geschaffen, und zwar durch Abscheiden einer zusammengesetzten Schicht aus AuBe/Ti/Au mit den jeweiligen Bauteildicken von 800/200/1500 Å und durch photolithographisches Definieren eines Kontaktrings um die Mesa herum, der einen Innendurchmesser von 30 µm und einen Außendurchmesser von 50 µm besitzt.
Der abschließende Schritt besteht aus dem Ausbilden eines ohmschen Kontakts 18 mit dem n-dotierten Galliumarsenidsubstrat, und zwar durch Legieren des Substrates mit Indium zu einer Kupferwärmesenke (nicht dargestellt). Die Einrichtung ist nun zum Testen und Betreiben bereit.
Die Kenndaten der Einrichtung sind in den Fig. 3 bis 5 aufgezeigt. Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Dunkel-I-V-Kennlinien sowohl der Photodiode zwischen den Kontakten 16 und 17 (Kurve 1) als auch von der Laserdiode zwischen den Kontakten 17 und 18 (Kurve 2) zeigt. Die Durchlaßkennlinien von beiden Dioden besitzen einen idealen Faktor von 2, das Kennzeichen von lichtemittierenden Dioden mit doppelter Heterostruktur.
Fig. 4 zeigt typische Kenndaten der Lichtabgabe in Abhängigkeit vom Strom des oberflächenemittierenden Lasers. Die durchgezogene Kurve zeigt die Lichtabgabeleistung, gemessen von einem extern kalibrierten Siliciumdetektor mit breiter Fläche. Die gestrichelte Kurve zeigt den berichtigten Photostrom des integrierten Photodetektors/Lasers, wenn der Strom infolge einer spontanen Emission und der Sperrstrom abgezogen sind. Wenn der Laser zwischen dem äußeren kreisförmigen Kontakt 17 und dem Substratkontakt 18 in Durchlaßrichtung bei einem Schwellenstrom von 3,2 mA betrieben wird, lasert die Einrichtung bei Zimmertemperatur eine durchgehende Welle von 850 nm in einer longitudinalen und transversalen Einzelmode.
Fig. 5 zeigt den Photodiodenstrom bei unterschiedlichen Sperrspannungen, wenn der Durchlaß- Injektionsstrom zu dem Laser zunimmt. In jeden Fall nimmt der Photodiodenstrom beim Einsetzen der Lasertätigkeit abrupt zu. Die korrigierte Photostromspitze (Fig. 3) beträgt 60 mA, wenn die Leistungsabgabe des oberflächenemittierenden Lasers 0,24 mW beträgt, welches eine tatsächliche Ansprechempfindlichkeit von 0,25 A/W ergibt. Daher stellt die integrale Photodiode 25 µA des Photostroms pro 100 µW der emittierenden Laserleistung bereit, welches eine adäquate Menge an Photostrom darstellt, um die Laserabgabe zu stabilisieren.
Beides, eine Photodiode und ein Modulator, können mit dem Laser integriert werden, beispielsweise an gegenüberliegenden Seiten, um eine integrierte Struktur auszubilden, die einen Laser, eine überwachende Photodiode und einen Modulator beinhaltet. Ferner können, während ein System aus Galliumarsenidmaterialien bevorzugt wird, Systeme aus anderen Materialien, wie z.B. aus Indiumphosphid, verwendet werden.

Claims

1. Halbleiterlasereinrichtung, umfassend:

eine oberflächenemittierende Lasereinrichtung mit einem aktiven Quantenmuldenbereich (10), der zwischen einem Paar von Reflektorstapeln (11, 12) angeordnet ist, zum Emittieren von kohärentem Licht senkrecht zu den ebenen Schichten,

eine Photodiodeneinrichtung (13, 14), die integral an der äußeren Schicht des einen Reflektorstapels (11, 12) ausgebildet ist&sub1; wobei das von dem aktiven Quantenmuldenbereich (10) emittierte Licht durch die Photodiode ausgegeben wird und

eine Kontakteinrichtung (17) zum Herstellen eines ohmschen Kontakts zu dem oberflächenemittierenden Laser und der Photodiode.

2. Einrichtung nach Anspruch 1,

bei welcher ein Reflektorstapel des Paars von Reflektorstapeln (12) eine Schicht umfaßt, die mit n- Typ-Verunreinigungen dotiert ist, und der andere Reflektorstapel des Paars (11) eine mit p-Typ- Verunreinigung dotierte Schicht umfaßt, und

wobei die Photodiodeneinrichtung eine intrinsische Schicht (13) umfaßt, die an einer dotierten Schicht des einen Stapels angeordnet ist und, wobei auf der intrinsischen Schicht eine Schicht eines Halbleiters (14) angeordnet ist, der mit dem anderen Typ von Verunreinigung in Bezug auf den der dotierten Schicht des einen Stapels dotiert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2,

bei welcher die Photodiodeneinrichtung eine intrinsische Schicht (13), die an einer p-dotierten Schicht von einem der Stapel (11) angeordnet ist, und auf der intrinsischen Schicht eine Schicht von n- dotiertem Halbleiter (14) enthält.

4. Einrichtung nach Anspruch 1,

bei welcher der Quantenmuldenbereich (10) Aluminiumgalliumarsenid-Barrierenschichten und Galliumarsenid-Muldenschichten umfaßt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4,

bei welcher die Reflektorstapel (11, 12) periodische Schichten von Aluminiumgalliumarsenid und Aluminiumarsenid umfassen.

6. Einrichtung nach Anspruch 4,

bei welcher die intrinsische Halbleiterschicht (13) Galliumarsenid ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, umfassend

ein n-dotiertes Galliumarsenidsubstrat (15),

einen ersten Reflektorstapel (12), der an dem Substrat aufgewachsen ist, wobei der Stapel periodische Schichten von Aluminiumgalliumarsenid und Aluminiumarsenid umfaßt,

einen Quantenmuldenbereich (10), der an dem ersten Stapel aufgewachsen ist, wobei der Bereich Aluminiumgalliumarsenid-Barrierenschichten und Galliumarsenid-Muldenschichten umfaßt,

einen zweiter Reflektorstapel (11), der an dem Quantenmuldenbereich aufgewachsen ist, wobei der zweite Stapel periodische Schichten von Aluminiumgalliumarsenid und Aluminiumarsenid umfaßt,

eine intrinsische Schicht (13) von Galliumarsenid, welches an dem zweiten Reflektorstapel aufgewachsen ist, und

eine Schicht (16) von n-dotiertem Galliumarsenid, das an der intrinsischen Schicht aufgewachsen ist.