DE69324834T2

DE69324834T2 - Oberflächenemittierende Laser mit Bragg-Reflektoren mit geringem Widerstand

Info

Publication number: DE69324834T2
Application number: DE69324834T
Authority: DE
Inventors: Gilbert A. Hawkins; Keith Brian Kahen
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1992-02-18
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2013-01-30
Also published as: EP0556619B1; DE69324834D1; EP0556619A2; JPH05283808A; EP0556619A3; US5212703A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Bragg-Reflektoren für oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonanzraum.
Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonanzraum (VCSEL) besitzen eine Reihe günstiger Eigenschaften für optoelektronische Anwendungen, beispielsweise insofern, als daß sie mit weniger Verarbeitungsaufwand auskommen als herkömmliche kantenemittierende Laser. Ein Beispiel für einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonanzraum nach dem Stand der Technik zeigt Fig. 1. In dieser Figur ist auf dem n&spplus;-GaAS-Substrat 10 eine n-Typ-Mantelschicht 12 gezogen. Diese Mantelschicht 12 weist zweiundzwanzig Perioden wechselnder Schichten aus GaAs und AlAs auf. Die Dicke der GaAs- und AlAs-Schichten ist derart gewählt, daß sie einen Viertelwellenlängen-Reflektor (λ/4) bilden, wie nachfolgend näher erläutert wird. Auf der Oberfläche von Schicht 12 ist ein aktiver Bereich 14 angeordnet, der eine aktive InGaAs-Schicht 18 umfaßt, die wiederum von einer (GRINSCH) Struktur 16 umgeben ist (GRINSCH = Graded Index Separate Confinement Heterostructure). Auf dem Bereich 14 ist die p-Typ-Mantelschicht 20 angeordnet, die, wie für die n- Typ-Mantelschicht, einen Viertelwellenlängen-Reflektor (λ/4) bildet. Für den p-seitigen Reflektor werden vierundzwanzig Perioden abwechselnder GaAs- und AlAs- Schichten eingesetzt, derart, daß die Reflexionsfähigkeit des p-seitigen Reflektors etwas größer als die des n-seitigen Reflektors ist. Auf der Oberfläche der p-Typ- Mantelschicht befindet sich eine p&spplus;-GaAs-Deckschicht 22, auf der ein ohmsches Metall 24 ausgebildet ist. Ein bemustertes ohmsches Metall 26 ist auf das Substrat 10 aufgebracht, wobei die Bemusterung verwendet wird, um Laserstrahlung durch das Substrat ausgeben zu können. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonanzraum (VCSEL) kompakt, haben sehr kleine Schwellenströme, niedrige Ausgangsstrahlendivergenzen und arbeiten im longitudinalen Einmoden-Betrieb stabil. Aufgrund ihrer kompakten Abmessungen ist das Gesamtvolumen ihrer aktiven Medien sehr klein. Um die Anforderungen der Lasertechnik zu erfüllen, nach der der gesamte Verlust dem gesamten Gewinn entsprechen muß, erfordern oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonanzraum (VCSEL) Spiegel mit sehr hohem Reflexionsvermögen, z. B. von 99,9%. Um dieses hohe Reflexionsvermögen zu erhalten, bestehen die Spiegel normalerweise aus einem Schichtenstapel, in dem sich Viertelwellenlängen-Reflektorschichten (λ/4) mit hohem und niedrigem Brechungsindex abwechseln, wie unter Bezug auf Fig. 1 erläutert. Für eine InGaAS-Quantenpotential-Aktivschicht, die mit einer Wellenlänge von 0,98 um arbeitet, kann der Viertelwellenstapel aus zweiundzwanzig Perioden von jeweils 0,07 um GaAs-Schichten bestehen, die sich mit AlAs-Schichten von 0,083 um Dicke abwechseln, woraus sich ein kalkuliertes Reflexionsvermögen von 99,95% ergibt (siehe Fig. 2a). Das Problem beim Einsatz eines Spiegels aus AlAs besteht darin, daß die resultierenden Mantelschichten einen großen Reihenwiderstand aufweisen (Y. H. Lee, J. L. Jewell, A. Scherer, S. L. McCall, J. P. Harbison und L. T. Florez, "Roomtemperature continuous-wave vertical-cavity single-quantum-well microlaser diodes," Electron. Lett., Band 25, S. 1377-1378, 1989). Der hohe Widerstand ergibt sich aus zwei Faktoren: der großen Potentialbarriere an dem AlAs- GaAs-Übergang und der kleinen Trägermobilität in AlAs. Das Problem der großen Potentialbarriere wurde von Geels et. al. angegangen (R. S. Geels, S. W. Corzine, J. W. Scott, D. B. Young und L. A. Coldren, "Low threshold planarized vertical-cavity surface emitting Iasers", IEEE Photonics Technol. Letters, Band 2, Seite 234-236, 1990), der die AlAs-GaAs-Übergänge abgestuft hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Problem der relativ kleinen Trägermobilität in AlAs zu korrigieren, das insbesondere für den n-seitigen Spiegel gravierend ist. Die Elektronenmobilität in GaAs und AlAs bei einer Trägerdichte von 1,0 · 10¹&sup8; cm³ beträgt ca. 2800 bzw. 90 cm²/V-s, wie in Fig. 2a gezeigt. Die Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt. Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Nebenansprüchen dargelegt.
Da der Elektronenstrom durch eine 1,83 um dicke AlAs-Schicht (für den zuvor besprochenen Spiegel mit zweiundzwanzig Perioden) einen hohen Reihenwiderstand erzeugt, wird bei der vorliegenden Erfindung ein Spiegel mit weniger AlAs- Anteil eingesetzt, wobei das Reflexionsvermögen dennoch erhalten bleibt. Die Lösung besteht darin, für den n-seitigen Spiegel einen Bragg Reflektor statt eines Viertelwellenlängen-Reflektors (λ/4) zu benutzen (siehe Fig. 2b). Da Bragg Reflekto ren für die Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex nicht bei jeder Viertelwelle, sondern nur bei jeder Halbwelle eine Abweichung der Brechungsindexverteilung erfordern, können Bragg Reflektoren mit einem geringeren AlAs-Anteil auskommen. Um beispielsweise ein Reflexionsvermögen von 99,95% zu erhalten, das dem des zuvor besprochenen Viertelwellenlängen-Reflektors (λ/4) mit zweiundzwanzig Perioden entspricht, benötigt der Bragg Reflektor sechsunddreißig Perioden aus 0,035 um dicken AlAs- und 0,110 um dicken GaAs-Schichten, woraus sich eine gesamte AlAs-Dicke von 1,26 um ergibt. Im Vergleich mit dem zuvor besprochenen Viertelwellenlängen-Reflektor (λ/4) mit zweiundzwanzig Perioden können erfindungsgemäße Vorrichtungen einen um ungefähr 26% niedrigeren n-seitigen Widerstand aufweisen. Dieser niedrigere Widerstand geht vollständig auf die höhere Gesamtmobilität der Träger in dem Bragg Reflektor (Fig. 2b) im Vergleich mit dem Viertelwellenlängen-Reflektor (λ/4) zurück.
Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonanzraum (VCSEL) nach dem Stand der Technik;
Fig. 2a u. 2b grafische Darstellungen der verteilten Spiegelreflektoren aus Fig. 1 bzw. 3; und
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonanzraum (VCSEL).
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonanzraum (VCSEL) derart aufgebaut, daß er in dem Laserraum statt des herkömmlichen Viertelwellenlängen-Reflektors (λ/4) einen Bragg Halbwellenlängen-Reflektor (λ/2) in der Austrittsstrahl-Mantelschicht umfaßt, wodurch sich der gesamte elektrische Widerstand und die Wärmeabstrahlung der Vorrichtung reduzieren.
Fig. 3 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel dieser Erfindung eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonanzraum (VCSEL) 28, in dem das Substrat 30 aus hochdotiertem n&spplus;-GaAs besteht. Im allgemeinen braucht das Substrat nicht aus n&spplus;-GaAs zu bestehen. Es kann statt dessen aus einem beliebigen, hochleitfähigen Halbleitermaterial bestehen, solange die verbleibenden Schichten epitaxial darauf gezogen werden können, und solange die Laserstrahlung ungedämpft durch diese Schicht dringt. Die verbleibenden Abschnitte des Lasers setzen sich aus einer Reihe einzelner Halbleiterschichten vorbestimmter Dicke und Dotierungsart zusammen, die epitaxial auf dem Substrat 30 angeordnet sind, wobei die ohmschen Metallkontakte 32 und 34 oben bzw. unten an dem Laser 28 mit vertikalem Resonanzraum angeordnet sind. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist derart aufgebaut, daß es Licht durch das Substrat 30 emittiert, obwohl auch andere Ausführungsbeispiele möglich sind, die Strahlung in entgegengesetzter Richtung emittieren. Eine Lichtemission durch den ohmschen Metallkontakt 32 wird durch Bemustern der Metallablagerung auf dem Substrat 30 erreicht.
Auf dem Substrat 30 wird eine untere Mantelschicht 36 abgeschieden, die wechselweise sechsunddreißig n-dotierte Schichten aus 0,11 um GaAs und 0,035 um AlAs umfaßt und einen mehrschichtigen Reflektor bildet. Diese Dicken werden für eine Freiraumstrahlung von 0,98 um Licht benötigt, erzeugt durch die hier beschriebene Vorrichtung; für andere Vorrichtungen würde die Dicke im Verhältnis zur gewünschten Wellenlänge anhand bekannter Verfahren skaliert werden. Die untere Mantelschicht 36 wird mit einem n-dotierten Material dotiert, etwa Si oder Sn, und zwar auf eine Konzentration von 10¹&sup7; bis 10¹&sup9; Atome/cm³ bei einer bevorzugten Dicke von 1018 Atome/cm³. Das bevorzugte Abscheideverfahren ist die Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MO-CVD);
allerdings sind, wie nach dem Stand der Technik bekannt, auch viele andere Abscheideverfahren verwendbar (z. B. die chemische Strahlepitaxie oder die atomare Schichtenepitaxie), die Epitaxieschichten kontrollierter Dicke und Dotierung erzeugen.
Bekanntermaßen bildet die untere Mantelschicht 36 einen Teil des optischen Laser- Resonators und reflektiert einen Teil des in dem Laser erzeugten Lichtes in den Bereich der optischen Aktivität zurück. Das Reflexionsvermögen dieser Schichten beträgt in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 99,95%, wie dies typischerweise für vertikale Resonatorgeometrien erforderlich ist. Die Kombination von Dicke und optischen Indizes dieser Schichten ist für die vorliegende Erfindung wesentlich.
Fig. 2b zeigt in grafischer Form die für die untere Mantelschicht 36 des Ausführungsbeispiels aus Fig. 3 geeigneten Schichtendicke und die Raumabweichung des Brechungsindex. Die typischen Toleranzen in der Schichtendicke liegen bei 1 nm. Die Unterschiede zwischen den Schichtendicken der vorliegenden Erfindung und dem Stand der Technik sind deutlich größer als die typischerweise zulässigen Toleranzen.
Im aktiven Bereich 38 wird Licht als Ergebnis der Rekombination von in die unteren und oberen Mantelschichten injizierten Elektronen und Löchern erzeugt. Der zentrale Teil dieses Bereichs, also die aktive Schicht 40, umfaßt In0,15Ga0,85As mit einer typischen Dicke von 1 bis 100 nm, vorzugsweise 10 nm (in diesem Fall wird der Bereich als Quantenpotential-Aktivschicht bezeichnet), und deren Bandkantenabstand ist derart gewählt, daß er kleiner als der der Materialien in den Mantelschichten ist, wie herkömmlicherweise praktiziert wird. Es sei erwähnt, daß die aktive Schicht nicht aus InGaAs zusammengesetzt zu sein braucht. Die Schicht kann aus einem beliebigen Halbleitermaterial bestehen, dessen emittierte Strahlung gegenüber den verbleibenden Schichten des Lasers mit vertikalem Resonanzraum transparent ist. Anstatt eines einzelnen Quantenpotentials sind auch Vielfach-Quantenpotentiale verwendbar. Wie Fachleuten selbstverständlich klar sein wird, ist es wichtig, daß der Bandkantenabstand der aktiven Schicht der Periodizität der Reflektoren entspricht, so daß die Periode des Bragg Reflektors in der unteren Mantelschicht 36 der Hälfte der Periode der aus der aktiven Schicht 40 emittierten Strahlung entspricht. Die aktive Schicht 40 ist unterhalb und oberhalb in einen Confinement-Bereich 42 aus Al0,5Ga0,5As eingebettet, dessen Bandkantenabstand größer als der der aktiven Schicht ist, wie dies herkömmlicherweise für Quantenlaser der Fall ist. Anstatt eines gleichmäßigen Bereichs von Al0,5Ga0,5As kann der Bereich 42 auch aus einer GRINSCH Struktur bestehen, wie dies nach dem Stand der Technik gängig ist. In der GRINSCH Struktur besteht die Al-Zusammensetzung der Schichten aus ca. 20% Al, benachbart zur aktiven Schicht, bis zu 50% Al, benachbart zu den n- und p-Typ- Mantelschichten. Für das Aufwachsen der aktiven Schicht und der angrenzenden Schichten (Confinement-Schichten) wird vorzugsweise das MBE- oder MO-CVD- Verfahren verwendet, aber andere Verfahren, die Epitaxialmaterialien mit hoher kri stallografischer Qualität erzielen, sind ebenfalls verwendbar. Die Dotierung der aktiven Schicht liegt typischerweise im Bereich von 0 bis 10¹&sup7; Atome/cm³, vorzugsweise im Bereich von 10¹&sup6; Atome/cm³ und kann aus einer der beiden Dotierungsarten bestehen, vorzugsweise aber aus der n-Dotierung.
Eine obere Mantelschicht 44 wird epitaxial auf dem aktiven Bereich 38 gebildet und umfaßt wechselweise p-Typ-Schichten aus GaAs und AlAs. Fig. 2a zeigt die Dicken und Brechungsindizes dieser Schichten. Diese Parameter sind derart gewählt, daß sie einen mehrschichtigen Viertelwellenlängen-Reflektor (λI4) bilden, wie er herkömmlicherweise in oberflächenemittierenden Lasern in sowohl den unteren wie oberen Mantelschichten zwecks Verteilung der optischen Dichte eingesetzt wird. Das bevorzugte Verfahren zur epitaxialen Abscheidung und der typische Dotierungskonzentrationsbereich für die p-Typ-Mantelschicht ist gleich dem für die n-Typ-Mantelschicht in der vorausgehenden Beschreibung. Wie von Geels et. al. als Mittel zur Minderung des Reihenwiderstands der mehrschichtigen Reflektoren besprochen (ibid), sind die GaAs-AlAs-Übergänge sowohl in dem oberen als auch in dem unteren Mantelschichtreflektor abstufbar. Wie häufig praktiziert, wird eine stark p-dotierte Deckschicht aus GaAs 46 epitaxial auf dem Viertelwellenlängen-Reflektor (λ/4) abgeschieden, während eine Schicht aus Au 34 auf der Deckschicht abgeschieden wird, um dazu einen ohmschen elektrischen Kontakt über die gesamte Querschnittsfläche des Lasers 28 mit vertikalem Resonanzraum zu bilden. Die laterale Ausdehnung der Vorrichtung rechtwinklig zur Richtung der optischen Emission ist zusätzlich durch die Implantierung von Sauerstoffionen 48 in ausreichender Konzentration zur Unordnung der aktiven Schicht bestimmt, wie dies herkömmlicherweise praktiziert wird. Die optische Begrenzung (Confinement) kann zusätzlich auch durch fotolithografisches Bestimmen und Ätzen der oberen Mantelschicht 44 erreicht werden, wie in Fig. 3 gezeigt.
Wenn Strom durch Mantelschichten entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen geführt wird, und wenn Träger auf die aktive Schicht begrenzt werden, entsteht bekanntermaßen Verstärkung und optische Emission in dem aktiven Bereich. Da diese Verstärkung nicht ausreichend hoch ist, um in der Praxis Strukturen zu verwirklichen, die eine Laseraktion für eine einzelne optische Bahn erzielen, muß das Licht im Raum in den Bereich der optischen Verstärkung zurückreflektiert werden, wie dies herkömmlicherweise durch Viertelwellenlängen-Reflektoren (λ/4) erreicht wird, die in die obe ren und unteren Mantelschichten eingebettet sind. Da die Mobilität der Träger in den mehrschichtigen Reflektoren in den verschiedenen Schichten nicht gleich ist, wird der elektrische Widerstand durch die Schicht mit dem höheren Widerstand dominiert, wenn die Schichten vergleichbar dick sind (wie dies herkömmlicherweise der Fall ist). In diesem Ausführungsbeispiel ist die Mobilität der Elektronen in den AlAs-Schichten des Reflektors niedrig. Da die AlAs-Schichten in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dünn sind, wird der Widerstand dieser Schichten reduziert, und die Wärmeabfuhr während des Betriebs der Vorrichtung wird demnach verringert, wodurch sich die Lebensdauer der Vorrichtung erhöht und die Longitudinalmoden-Stabilität verbessert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht den Betrieb von oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonanzraum (VCSEL) bei einem geringeren Reihenwiderstand als derzeit erhältliche Vorrichtungen, und zwar ohne Verlust des Spiegelreflektionsvermögens. Um diese Vorrichtung herzustellen, sind keine weiteren Verarbeitungsschritte als bei den aktuellen oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonanzraum erforderlich. Der niedrigere Reihenwiderstand führt zu einer längeren Lebensdauer der Vorrichtung und zu einer größeren Longitudinalmoden-Stabilität.
Obwohl die Erfindung detailliert mit besonderem Bezug auf bestimmte, bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann zahlreichen Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen.

Claims

1. Oberflächenemittierender Laser (28) mit vertikalem Resonanzraum, wobei der Laser folgende Komponenten aufweist:

(a) ein Halbleitersubstrat (30) eines bestimmten Leitfähigkeitstyps;

(b) eine untere Mantelschicht (36) vom gleichen Leitfähigkeitstyp, welche auf dem Halbleitersubstrat (30) aufliegt und mehrere Perioden von GaAs und AlAs Halbleiterschichten von unterschiedlichem Brechungsindex aufweist, die so angeordnet sind, daß sie einen mehrschichtigen Refraktor bilden;

(c) einen auf der unteren Mantelschicht (36) gebildeten, halbleiteraktiven Bereich (38);

(d) eine obere Mantelschicht (44) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, welche auf dem halbleiteraktiven Bereich (38) aufliegt und mehrere Perioden von Halbleiterschichten von unterschiedlichem Brechungsindex aufweist, die so angeordnet sind, daß sie einen mehrschichtigen Reflektor bilden;

(e) eine Deckschicht (46) vom gleichen Leitfähigkeitstyp, welche auf der oberen Mantelschicht (44) aufliegt; und

(f) elektrisch leitfähige Schichten (32, 34), die auf dem Substrat (30) und den Deckschichten (46) aufliegen;

dadurch gekennzeichnet, daß

die mehreren Perioden von GaAs und AlAs Halbleiterschichten der unteren Mantelschicht (36) eine Stufen-Brechungsindex-Verteilung und Dicken aufweisen, so daß ein λ/2 Bragg Reflektor gebildet wird.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Bereich (38) aus einer GRINSCH Struktur (42) besteht, die eine aktive Schicht (40) so umgibt, daß der optische Brechungsfaktor und die Anlagerung der Minoritätsträger maximiert werden.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Übergänge der mehrschichtigen Reflektoren aufbaumäßig abgestuft sind, um einen geringeren Widerstand gegenüber dem Stromfluß zu erreichen.

4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das leitfähige Material auf der Substratseite gemustert ist, um einen Lichtausgang durch die Bodenfläche des Lasers zu ermöglichen.