DE69612077T2 - Sichtbares Licht emittierender VCSEL mit Hybridspiegel - Google Patents

Sichtbares Licht emittierender VCSEL mit Hybridspiegel

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum und insbesondere auf Hochleistungs- Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum zum Emittieren von sichtbarem Licht.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) enthalten einen ersten verteilten Bragg-Reflektor, der auch als ein Spiegelstapel bezeichnet wird, der auf der Oberseite eines Substrats durch Halbleiterfertigungstechniken ausgebildet ist, wobei ein aktiver Bereich auf der Oberseite des ersten Spiegelstapels ausgebildet ist und ein zweiter Spiegelstapel auf der Oberseite des aktiven Bereichs ausgebildet ist. Der VCSEL wird durch Strom angesteuert, der durch den aktiven Bereich gezwungen wird, was typischerweise dadurch erreicht wird, daß ein erster Kontakt an der Rückseite des Substrats und ein zweiter Kontakt auf der Oberseite des zweiten Spiegelstapels vorgesehen werden.
  • Die Verwendung von Spiegelstapeln in VCSELs ist in der Technik gut eingeführt. Spiegelstapel werden typischerweise aus mehreren Schichtpaaren gebildet, die häufig auch als Spiegelpaare bezeichnet werden. Die Schichtpaare werden aus einem Werkstoffsystem gebildet, das im allgemeinen aus zwei Werkstoffen besteht, die unterschiedliche Brechungsindexe besitzen und von denen zu anderen Abschnitten des VCSEL eine gute Gitteranpassung besteht. Beispielsweise verwendet ein GaAs-VCSEL typischerweise ein AlAs/GaAs- oder ein AlGaAs/AlAs-Werkstoffsystem, wobei der unterschiedliche Brechungsindex jeder Schicht eines Paars durch Änderung des Aluminiumgehalts in den Schichten erreicht wird. In konventionellen Vorrichtungen kann die Anzahl der Spiegelpaare pro Stapel von 20 bis 40 reichen, um in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Brechungsindexen der Schichten einen hohen prozentualen Anteil der Reflexionsfähigkeit zu erreichen. Eine große Anzahl von Paaren erhöht den prozentualen Anteil des reflektierten Lichts.
  • Bei Versuchen zur Erhöhung des Wirkungsgrads und zur Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Paare sind Spiegelstapel entwickelt worden, die dielektrische Schichten verwenden. Dielektrische Schichten können mit einer größeren Differenz beim Brechungsindex hergestellt werden als Halbleiterwerkstoffe. Folglich werden weniger Schichten benötigt, um einen effektiven Spiegelstapel zu bilden. Die Verwendung von dielektrischen Schichten ist jedoch aufgrund ihrer nicht leitenden Natur und den beim Aufbau verwendeten Herstellungstechniken beschränkt. Da ein VCSEL durch elektrischen Strom angesteuert wird, der zwischen den ersten und zweiten Kontakten im allgemeinen durch die gesamte Vorrichtung geleitet wird, erfordert die Verwendung von dielektrischen Schichten eine Modifikation der Vorrichtung, wie etwa durch Verschieben der Kontakte, so daß der Strom die dielektrischen Schichten meidet. Dies schränkt die Verwendung von dielektrischen Schichten im allgemeinen auf den oberen Spiegelstapel ein.
  • In konventionellen VCSELs funktionieren konventionelle Werkstoffsysteme ausreichend. Es werden jedoch neue Produkte entwickelt, die VCSELs benötigen, die Licht bei sichtbaren Wellenlängen emittieren. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen müssen die Spiegelstapel einen äußerst hohen prozentualen Anteil des Lichts, im allgemeinen mehr als 99%, reflektieren. Dies erfordert in jedem Spiegelstapel viele Spiegelpaare. Wenn der VCSEL bei sichtbaren Wellenlängen betrieben wird, vermindert die Verwendung von vielen Spiegelpaaren des AlAs/GaAs-Werkstoffsystems aufgrund der Photonenabsorption durch das Arsenid im Werkstoffsystem die Ausbeute optischer Quanten stark.
  • Weitere Werkstoffsysteme, die sichtbares Licht nicht absorbieren, können verwendet werden, dies hat jedoch im allgemeinen eine Gitterfehlanpassung zu Folge, die die Funktionsweise und die Lebensdauer des VCSEL nachteilig beeinflussen kann.
  • Das US-Patent Nr. 5.295.147 offenbart einen VCSEL, der ein Substrat, eine aktive Schicht aus einem Halbleiterwerkstoff, der so beschaffen ist, daß er an einer Oberfläche des Substrats sichtbares Licht emittiert, ein Paar Spiegel an gegenüberliegenden Seiten der aktiven Schicht und eine Anordnung zum Expandieren des Durchmessers des Ausgangsstrahls aufweist.
  • Es wäre deswegen äußerst vorteilhaft, die oben genannten sowie weitere Nachteile, die dem Stand der Technik inhärent sind, zu beseitigen.
  • Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten VCSEL zu schaffen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochleistungs-VCSEL für sichtbares Licht zu schaffen.
  • Eine wiederum weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten Spiegelstapel zur Verwendung in einem VCSEL zu schaffen.
  • Eine nochmals weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen effektiven Spiegelstapel zur Verwendung in einem VCSEL für sichtbares Licht zu schaffen.
  • Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Komplexität des Spiegelaufbaus in einem VCSEL für sichtbares Licht zu vermindern.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spiegelstapel zu schaffen, bei dem eine Gitteranpassung ausgeführt werden kann.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum zum Emittieren von sichtbarem Licht geschaffen, wobei der Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum gekennzeichnet ist durch:
  • einen ersten Spiegelstapel mit einem ersten Abschnitt aus einem ersten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem, das abwechselnde Schichten aus AlAs und AlGaAs enthält, einem zweiten Abschnitt aus einem epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem, das benachbart zum aktiven Bereich angeordnet ist und InAlP und InAlGaP enthält, und einem dritten Abschnitt, der zwischen den ersten und zweiten Abschnitten angeordnet ist und aus einem dritten Werkstoffsystem gebildet ist, das AlGaInP/AlGaAsP oder abwechselnde Schichten aus Alx1GaInP und Alx2GaInP enthält, wobei x1 und x2 verschiedene Mengen des Aluminiums darstellen, um Paare von Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindexen zu schaffen, wobei der erste Spiegelstapel einen Hauptanteil des vom aktiven Bereich emittierten Lichts reflektiert und beim ersten Spiegelstapel eine Gitterangepassung mit den anderen Schichten und dem Substrat des Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum besteht;
  • einen aktiven Bereich (20), der auf dem ersten Spiegelstapel (14) angeordnet ist; und
  • einem zweiten Spiegelstapel (22), der auf dem aktiven Bereich (20) angeordnet ist.
  • In einer spezielleren Ausführung ist der dritte Abschnitt eine Schicht zur stufenweisen Anpassung, die zwischen den ersten und zweiten Abschnitten des ersten Spiegelstapels angeordnet ist.
  • In einer noch spezielleren Ausführung enthält der VCSEL eine aktive Schicht, die zwischen eine erste Hüllschicht, die an den ersten Spiegelstapel angrenzt, und eine zweite Hüllschicht, die an den zweiten Spiegelstapel angrenzt, sandwichartig eingesetzt (zwischengschoben) ist. Die ersten und zweiten Hüllschichten sind abgestuft, um eine Gitterkopplung der aktiven Schicht mit dem ersten Spiegelstapel bzw. mit dem zweiten Spiegelstapel herzustellen.
  • In einer weiteren Ausführung enthält der VCSEL einen dritten Abschnitt des ersten Spiegelstapels, wobei der dritte Abschnitt zwischen den ersten und zweiten Abschnitten angeordnet und aus einem dritten Werkstoffsystem gebildet ist.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die oben genannten sowie weitere und speziellere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachmännern aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführung deutlich, die in Verbindung mit den Zeichnungen erfolgt, in denen:
  • Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten Ausführung eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführung eines VCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
  • Fig. 3 ein teilweiser Querschnitt ist, der eine nochmals weitere Ausführung eines Hybridspiegelstapels erläutert.
    • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
  • In den Zeichnungen bezeichnen in allen verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen entsprechende Elemente, wobei die Aufmerksamkeit zunächst auf Fig. 1 gerichtet wird, die einen allgemein mit 10 bezeichneten Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) zum Emittieren von sichtbarem Licht erläutert. Der VCSEL 10 ist auf einem Substrat 12 gebildet, das in dieser speziellen Ausführung GaAs ist. GaAs wird vorzugsweise verwendet, um die Epitaxie der Komponenten des VCSEL 10 zu erleichtern, der Licht bei sichtbaren Wellenlängen ungefähr im Bereich von 590 nm bis 700 nm emittiert. Es ist selbstverständlich, daß GaAs lediglich als ein Beispiel verwendet wird und weitere Halbleiterwerkstoffe als Substrat 12 verwendet werden können.
  • Das Substrat 12 besitzt eine obere Fläche 13, auf der ein Spiegelstapel 14 angeordnet ist. Der Spiegelstapel 14 enthält einen Abschnitt 15 aus einem ersten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem und einen Abschnitt 16 aus einem zweiten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem. Auf dem Spiegelstapel 14 ist ein aktiver Bereich 20 angeordnet und auf dem aktiven Bereich 20 ist ein zweiter Spiegelstapel 22 angeordnet.
  • Der Spiegelstapel 14 wird durch epitaktische Ablagerung von Schichten auf dem Substrat 12 gezogen. Um eine Kristallgitteranpassung von Spiegelstapel 14 und Substrat 12 zu erzielen, muß ein geeignetes Halbleiterwerkstoffsystem aufgebracht werden. In diesem speziellen Beispiel ist das Substrat 12 GaAs und deswegen wird für den Abschnitt 15 ein GaAs/AlGaAs-Werkstoffsystem verwendet. Auf dem Substrat 12 werden ungefähr 20-30 Spiegelpaare aus diesem Werkstoffsystem aufgebracht. Anschließend wird auf dem Abschnitt 15 der Abschnitt 16 aufgebracht, der aus Spiegelpaaren aus einem Werkstoffsystem besteht, das sichtbares Licht effektiv reflektiert. In diesem Fall wird bei ungefähr 5-10 Spiegelpaaren ein AlInP/AlGaInP-Werkstoffsystem verwendet.
  • Der Spiegelstapel 14 ist ein Hybridspiegel, der mehr als ein Werkstoffsystem verwendet, um bei einem kleineren Stapel von Spiegeln den prozentualen Anteil des reflektierten Lichts zu erhöhen, um die Ausbeute optischer Quanten durch die Reduzierung der Photonenabsorption des sichtbaren Lichts zu erhöhen und um eine Gitteranpassung zwischen dem Spiegelstapel 14 und dem Substrat 12 zu erreichen. Der Abschnitt 16 ist benachbart zum aktiven Bereich 20 angeordnet, um einen großen prozentualen Anteil der vom aktiven Bereich 20 emittierten Photonen zu reflektieren. Aufgrund der Natur des verwendeten Werkstoffsystems gibt es keine nennenswerte Absorption von Photonen, wodurch der optische Wirkungsgrad erhöht wird. Das Werkstoffsystem (in diesem Beispiel AlInP/AlGaInP) würde, wenn es allein verwendet werden würde, eine große Anzahl von Spiegelpaaren benötigen, um den geforderten hohen prozentualen Anteil der Reflexion zu erreichen. Die Verwendung einer großen Anzahl dieser Spiegelpaare würde den Wirkungsgrad drastisch reduzieren und die Funktionsweise der Vorrichtung nachteilig beeinflussen, da es schwierig ist, diese Werkstoffe gleichförmig zu ziehen. Durch die Verwendung von ungefähr 5-10 Spiegelpaaren entsteht das Problem der Gleichförmigkeit nicht und ein Hauptanteil des Lichts, ungefähr 85%, wird reflektiert. Da der Abschnitt 16 kein Licht absorbiert, ist der optische Wirkungsgrad groß.
  • Um den prozentualen Anteil des reflektierten Lichts auf den gewünschten Pegel zu steigern, wird der Abschnitt 15, der zum Substrat 12 benachbart ist, in den Spiegelstapel 14 eingeschlossen. Aufgrund der Natur des verwendeten Werkstoffsystems wird die Gitteranpasssung zwischen den Schichten und mit dem Substrat 12 einfach erreicht. Der relativ einfache Vorgang und die Einfachheit der Gitteranpassung ermöglicht, daß eine große Anzahl von Spiegelpaaren gebildet werden, wodurch der prozentuale Anteil des reflektierten Lichts auf den gewünschten Pegel erhöht wird.
  • Zur Sicherstellung einer geeigneten Gitteranpassung zwischen dem Abschnitt 15 und dem Abschnitt 16, zum Reduzieren der mechanischen Belastung und zur Vereinfachung der Herstellung wird zwischen dem Abschnitt 15 und dem Abschnitt 16 des Spiegelstapels 14 eine stufenweise Anpassungsschicht 24 gebildet. Um das oben verwendete Beispiel fortzusetzen, ist die stufenweise Anpassungsschicht 24 aus einem Werkstoff- System gebildet, das AlGaInP/GaInP/AlGaAs enthält und im allgemeinen dünner als ein Spiegelpaar ist.
  • Die stufenweise Anpassungsschicht vom Werkstoff AlGaAs, der zum Abschnitt 15 benachbart ist, zum Werkstoff AlGaInP, der zum Abschnitt 16 benachbart ist, abgestuft.
  • Der aktive Bereich 20 enthält vorzugsweise eine aktive Schicht 25, die zwischen den Hüllschichten 26 und 27 sandwichartig eingesetzt ist. Die aktive Schicht 25 kann einen Einzel- oder einen Mehrquantenquellaufbau besitzen, wobei der Mehrquantenquellaufbau Quantenquellschichten enthält, die in einer wohlbekannten Weise durch Grenzschichten getrennt sind. Um sichtbares Licht zu erzeugen, sollten geeignete Werkstoffe verwendet werden. In dieser speziellen Ausführung sind die Quantenquellschichten aus GaInP gebildet und die Grenzschichten sind aus GaAlInP gebildet. Die Hüllschicht 26 ist stufenweise gebildet, um eine Kristallgitteranpassung der aktiven Schicht 25 mit dem Spiegelstapel 14 herzustellen. Um dieses spezielle Beispiel fortzusetzen ist die Hüllschicht 26 aus einem AlInP/GaAlInP-Werkstoffsystem gebildet, wobei der Werkstoff AlInP zum Abschnitt 16 benachbart ist und der Werkstoff GaAlInP zur aktiven Schicht 25 benachbart ist.
  • Der Spiegelstapel 22 kann im wesentlichen so gebildet sein, wie es für den Spiegelstapel 14 beschrieben wurde, wobei ein Abschnitt 30 und ein Abschnitt 31 durch eine stufenweise Anpassungsschicht 32 getrennt sind. Der Abschnitt 30 ist in der Nähe zum aktiven Bereich 20 angeordnet und der Abschnitt 31 ist von der aktiven Schicht 20 entfernt angeordnet. Die Abschnitte 30 und 31 können aus den gleichen Werkstoffsystemen, die zuvor für den Spiegelstapel 14 beschrieben wurden, gebildet sein und arbeiten in einer ähnlichen Weise.
  • Dem Fachmann ist leicht verständlich, daß einer der Spiegelstapel 14 und 22 ein oben dargestellter Hybridspiegel sein kann, wobei der andere ein konventioneller Spiegelstapel ist, indem er beispielsweise eine Vielzahl von Schichtpaaren unter Verwendung des AlAs/AlGaAs-Werkstoffsystems enthält. In diesem Fall ist es erwünscht, den Aluminiumgehalt unter 0,6 zu halten, um die Absorption von Photonen in den sichtbaren Betriebswellenlängen von ungefähr 590 nm bis 700 nm zu reduzieren.
  • Nunmehr in Fig. 2, hier ist eine weitere Ausführung eines allgemein mit 110 bezeichneten Flächenemissionslasers mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) zum Emittieren von sichtbarem Licht dargestellt. Der VCSEL 110 ist dargestellt, um mögliche Variationen der Verwendung von Hybridspiegeln in einem VCSEL zu demonstrieren. Der VCSEL 110 ist auf einem Substrat 112 gebildet, das wie in der vorherigen Ausführung GaAs ist. GaAs wird vorzugsweise verwendet, um die Epitaxie der Komponenten des VCSEL 110 zu erleichtern, die Licht in den sichtbaren Wellenlängen ungefähr im Bereich von 590 nm bis 700 nm emittieren. Es ist selbstverständlich, daß weitere Halbleiterwerkstoffe als Substrat 112 verwendet werden können, wobei diese weiteren Werkstoffe für Fachmänner offensichtlich sind.
  • Das Substrat 112 besitzt eine obere Fläche 113, auf der ein Spiegelstapel 114 angeordnet ist. Der Spiegelstapel 114 ist im allgemeinen mit dem zuvor beschriebenen Spiegelstapel 14 identisch und enthält einen Abschnitt 115 aus einem ersten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem und einem Abschnitt 116 aus einem zweiten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem. Ein aktiver Bereich 120 ist auf dem Spiegelstapel 114 angeordnet und ein Spiegelstapel 122 ist auf dem aktiven Bereich 122 angeordnet.
  • Der Spiegelstapel 114 ist durch epitaktisch abgelagerte Schichten auf dem Substrat 112 in einer Weise gezogen, die Fachmännern wohlbekannt ist. Um eine geeignete Kristallgitteranpassung des Abschnitts 115 und des Abschnitts 116 zu gewährleisten, ist zwischen dem Abschnitt 115 und dem Abschnitt 116 eine stufenweise Anpassungsschicht 124 gebildet. Da der Spiegelstapel 114 mit dem Spiegelstapel 14 identisch ist, wird er nicht detailliert beschrieben.
  • Der Spiegelstapel 114 ist ein Hybridspiegel, der mehr als ein Werkstoffsystem verwendet, um den prozentualen Anteil des reflektierten Lichts mit einer kleinen (oder nützlichen) Anzahl von Spiegelpaaren zu erhöhen, damit die Ausbeute optischer Quanten durch die Reduzierung der Photonenabsorption des sichtbaren Lichts erhöht und eine Kristallgitteranpassung im Spiegelstapel 114 und im VCSEL 110 erreicht werden.
  • Der aktive Bereich 120 enthält vorzugsweise eine aktive Schicht 125, die zwischen den Hüllschichten 126 und 127 sandwichartig eingefügt ist. Der aktive Bereich 120 kann eine einzelne oder mehrere Quantenquellen enthalten und ist mit dem zuvor beschriebenen aktiven Bereich 20 identisch und wird deswegen nicht detailliert beschrieben.
  • Der Spiegelstapel 122 enthält einen Abschnitt 130 aus einem ersten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem, der benachbart zum aktiven Bereich 120 angeordnet ist, sowie einen Abschnitt 131 aus einem zweiten Werkstoffsystem. In dieser speziellen Ausführung enthält der aus dem ersten Werkstoffsystem bestehende Abschnitt 130 des Spiegelstapels 122 eine InAlGaP- Schicht 133 in der Nähe zum aktiven Bereich 120 und eine elektrische Kontaktschicht 134 aus GaInP. Die Hüllschicht 127 schafft eine Abstufung, wie zuvor beschrieben wurde, die eine Gitteranpassung des Abschnitts 130 zur aktiven Schicht 120 herstellt. Der Abschnitt 131 aus dem zweiten Werkstoffsystem enthält abwechselnde Schichten aus einem dielektrischen Werkstoff. Stapel aus dielektrischen Spiegeln sind in der Technik wohlbekannt und werden hier nicht detailliert beschrieben. Da für den Abschnitt 131 ein dielektrischer Werkstoff verwendet wird, muß der Abschnitt 130 eine Kontaktschicht 134 besitzen, durch die ein Strom geleitet wird. Der Abschnitt 131 ist mit einem flachen Aufbau gebildet, um einen bequemen Zugriff auf die Oberfläche der Kontaktschicht 134 zu ermöglichen.
  • Folglich ist der VCSEL 110 so aufgebaut, daß er Licht in sichtbaren Wellenlängen emittiert, indem ein Spiegelstapel 114 konstruiert wurde, der einen Hybridspiegel enthält, der aus zwei unterschiedlichen Werkstoffsystemen gebildet ist, um den optimalen Betrag der Reflexion mit der geringsten Anzahl von Spiegelpaaren zu gewährleisten, während eine reduzierte Lichtabsorption und eine Kristallanpassung für die effektivste Funktionsweise und Fertigung gewährleistet sind. Außerdem ist der Spiegelstapel 122 mit einem leicht zugänglichen elektrischen Kontakt gebildet und enthält dielektrische Spiegel, die klein sind, leicht herstellbar sind und eine hohe Reflexionsfähigkeit gewährleisten.
  • In Fig. 3 ist ein teilweiser Querschnitt einer Ausführung eines allgemein mit 140 bezeichneten Hybridspiegelstapels dargestellt. Einem Fachmann ist selbstverständlich, daß der Hybridspiegelstapel 140 als oberer Spiegelstapel, als unterer Spiegelstapel oder als beides verwendet werden kann, für den Zweck des Überblicks wird er jedoch so beschrieben, daß er auf einem Substrat 141 gebildet ist. Der Hybridspiegelstapel 140 enthält einen Abschnitt 142 aus einem ersten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem, einen Abschnitt 143 aus einem zweiten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem und einen Abschnitt 144, der zwischen dem Abschnitt 142 und dem Abschnitt 143 angeordnet und aus einem dritten Werkstoffsystem gebildet ist.
  • Um eine Kristallgitteranpassung des Spiegelstapel 140 mit dem Substrat 140 herzustellen, wird ein geeignetes Halbleiter- Werkstoff System verwendet. In diesem Beispiel ist das Substrat 141 GaAs. Deswegen wird für den Abschnitt 142 ein AlAs/AlxGaAs-Werkstoffsystem verwendet. Der Abschnitt 141 ist auf dem Abschnitt 142 epitaktisch gezogen und besteht aus Spiegelpaaren, die aus einem Werkstoffsystem gebildet sind, das vorzugsweise aus abwechselnden Schichten aus Alx1GaInP und Alx2GaInP besteht. Der Abschnitt 143 ist anschließend auf dem Abschnitt 144 epitaktisch gezogen und besteht aus Spiegelpaaren aus einem Werkstoffsystem, das sichtbares Licht effizient reflektiert. In diesem Beispiel wird ein AlInP/AlGaInP-Werkstoffsystem verwendet.
  • In dieser Ausführung ist das Werkstoffsystem des Abschnitts 142 so gewählt, daß eine Kristallgitteranpassung mit dem Substrat 141 besteht. Beim Werkstoffsystem des Abschnitts 144 besteht im wesentlichen eine Kristallgitteranpassung mit dem Abschnitt 142 und mit dem Abschnitt 143 bei einem annehmbaren Betrag der mechanischen Belastung, so daß der Abschnitt 142 einen maximalen Betrag der Reflexionsfähigkeit gewährleisten kann (ungefähr 85%) und die Abschnitte 144 und 143 die restlich benötigte Reflexionsfähigkeit gewährleisten können, während sie den Hybridspiegel mit einer annehmbaren Anzahl von Spiegelpaaren bei einem minimalen Betrag der Lichtabsorption und einer relativ einfachen Herstellungsweise abschließen.
  • Verschiedene Änderungen und Modifikationen an den hier dargestellten Ausführungen, die für Erläuterungszwecke ausgewählt wurden, werden Fachmännern leicht erscheinen. Zum Beispiel ist leicht verständlich, daß in einem VCSEL ein einzelner Hybridspiegel verwendet werden kann oder daß beide Spiegel Hybridspiegel sein können. Außerdem sollte selbstverständlich sein, daß sowohl für p- als auch für n-Dotierstoffe sowie für elektrisch invertierte Strukturentwürfe eine Struktursymmetrie im VCSEL besteht. Dahingehend, daß solche Modifikationen und Variationen vom Erfindungsgedanken der Erfindung nicht abweichen, ist beabsichtigt, daß sie in dessen Umfang eingeschlossen sind, der lediglich durch eine gerechte Interpretation der nachfolgenden Ansprüche bewertet wird.
  • Die Erfindung wurde in klaren und präzisen Aussagen vollständig beschrieben, um Fachmänner zu befähigen, diese zu verstehen und zu realisieren.

Claims (7)

1. Flächenemissionslaser (10) mit vertikalem Hohlraum zum Emittieren von sichtbarem Licht, wobei der Flächenemissionslaser (10) mit vertikalem Hohlraum gekennzeichnet ist durch:
- einen ersten Spiegelstapel (14) mit einem ersten Abschnitt (15) aus einem ersten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem, das abwechselnde Schichten aus AlAs und AlGaAs beinhaltet, einem zweiten Abschnitt (16) aus einem zweiten, epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem, der benachbart zum aktiven Bereich angeordnet ist und InAlP und InAlGaP beinhaltet, und einem dritten Abschnitt (24), der zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist und aus einem dritten Werkstoffsystem gebildet ist, das AlGaInP/GaInP/AlGaAs oder abwechselnde Schichten aus AlxiGaInP oder AlX2GaInP beinhaltet, wobei x1 und x2 unterschiedliche Mengen des Aluminiums darstellen, um Schichtpaare mit unterschiedlichen Brechungsindexen zu schaffen, wobei der erste Spiegelstapel einen Hauptanteil des vom aktiven Bereich emittierten Lichts reflektiert und bei diesem eine Gitteranpassung mit den anderen Schichten und mit dem Substrat des Flächenemissionslasers mit vertikalem Hohlraum besteht;
- einen aktiven Bereich (20), der auf dem ersten Spiegelstapel (14) angeordnet ist; und
- einen zweiten Spiegelstapel (22), der auf dem aktiven Bereich (20) angeordnet ist.
2. Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß dieser dritte Abschnitt eine stufenweise Anpassungsschicht (24) ist, die eine geeignete Gitteranpassung zwischen diesen ersten und zweiten Abschnitten sicherstellt.
3. Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 2, wobei der aktive Bereich (20) ferner durch eine aktive Schicht (25) gekennzeichnet ist, die zwischen einer ersten Hüllschicht (26), die zum ersten Spiegelstapel (14) benachbart ist, und einer zweiten Hüllschicht (27), die zum zweiten Spiegelstapel (22) benachbart ist, eingeschoben ist.
4. Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 3, wobei die erste Hüllschicht (26) ferner dadurch gekennzeichnet ist, daß sie stufenweise gebildet ist, um eine Gitterkopplung der aktiven Schicht (25) mit dem ersten Spiegelstapel (14) herzustellen.
5. Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 1, wobei der zweite Spiegelstapel (22) ferner gekennzeichnet ist durch einen ersten Abschnitt (30) aus einem ersten epitaktisch gezogenen Werkstoffsystem, das benachbart zum aktiven Bereich (20) angeordnet ist, und durch einen zweiten Abschnitt (31) aus einem zweiten Werkstoffsystem.
6. Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 5, wobei das erste Werkstoffsystem (30) des zweiten Spiegelstapels (22) ferner durch abwechselnde Schichten aus InAlP und InAlGaP gekennzeichnet ist und das zweite Werkstoffsystem (31) ferner durch abwechselnde Schichten aus AlAs und AlGaAs gekennzeichnet ist.
7. Flächenemissionslaser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 6, ferner gekennzeichnet durch einen dritten Abschnitt (144) des zweiten Spiegelstapels, wobei der dritte Abschnitt (144) zwischen dem ersten Abschnitt (142) und dem zweiten Abschnitt (143) angeordnet ist und aus einem dritten Werkstoffsystem gebildet ist.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100237188B1 (ko) * 1997-02-10 2000-02-01 정선종 튜너블 레이저 제조 방법
JP3547344B2 (ja) * 1999-08-24 2004-07-28 シャープ株式会社 半導体発光素子
DE10053670A1 (de) * 2000-10-28 2002-05-08 Daimler Chrysler Ag Optisches Signalübertragungssystem
US6549556B1 (en) 2000-12-01 2003-04-15 Applied Optoelectronics, Inc. Vertical-cavity surface-emitting laser with bottom dielectric distributed bragg reflector
US6611543B2 (en) * 2000-12-23 2003-08-26 Applied Optoelectronics, Inc. Vertical-cavity surface-emitting laser with metal mirror and method of fabrication of same
AU2002345303A1 (en) * 2001-07-13 2003-01-29 Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) Phase shifted microcavities
US20050006105A1 (en) * 2002-12-02 2005-01-13 Bell Douglas B Method and apparatus for through rotary sub-sea pile-driving
JP2005322857A (ja) * 2004-05-11 2005-11-17 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光共振器および光共振器の製造方法
US7693204B2 (en) * 2006-02-03 2010-04-06 Ricoh Company, Ltd. Surface-emitting laser device and surface-emitting laser array including same
JP4800985B2 (ja) * 2006-03-03 2011-10-26 株式会社リコー 面発光レーザ素子、それを備えた面発光レーザアレイ、その面発光レーザアレイを備えた光走査装置、その光走査装置を備えた電子写真装置
CN101322291B (zh) * 2006-02-03 2012-05-09 株式会社理光 表面发射激光器装置及包含其的表面发射激光器阵列
DE102006014848A1 (de) * 2006-03-30 2007-10-04 Rohde & Schwarz Gmbh & Co. Kg Optisches Datenbus-System

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5115442A (en) * 1990-04-13 1992-05-19 At&T Bell Laboratories Top-emitting surface emitting laser structures
JPH0563301A (ja) * 1991-09-05 1993-03-12 Hitachi Ltd 半導体光素子および光通信システム
US5258990A (en) * 1991-11-07 1993-11-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The United States Department Of Energy Visible light surface emitting semiconductor laser
JP3244529B2 (ja) * 1992-04-16 2002-01-07 アジレント・テクノロジーズ・インク 面発光型第２高調波生成素子
US5343487A (en) * 1992-10-01 1994-08-30 Optical Concepts, Inc. Electrical pumping scheme for vertical-cavity surface-emitting lasers
JP3097938B2 (ja) * 1992-10-06 2000-10-10 日本電信電話株式会社 面発光半導体レーザ
US5295147A (en) * 1992-12-22 1994-03-15 Photonics Research Incorporated Vertical cavity, surface-emitting laser with expanded cavity
JPH0878776A (ja) * 1994-09-06 1996-03-22 Fuji Xerox Co Ltd 半導体レーザ装置
US5493577A (en) * 1994-12-21 1996-02-20 Sandia Corporation Efficient semiconductor light-emitting device and method
US5574738A (en) * 1995-06-07 1996-11-12 Honeywell Inc. Multi-gigahertz frequency-modulated vertical-cavity surface emitting laser

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