DE69811553T2 - Langwelliger oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator (VCSEL) - Google Patents

Langwelliger oberflächenemittierender Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator (VCSEL)

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator und insbesondere auf oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator zum Aussenden langwelligen Lichts.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) enthalten einen ersten verteilten Bragg-Reflektor (DER), auch als Spiegelstapel bezeichnet, der mittels Herstellungstechniken aus der Halbleitertechnologie oben auf einem Substrat ausgebildet ist, einen aktiven Bereich, der oben auf einem ersten Spiegelstapel ausgebildet ist, und einen zweiten Spiegelstapel, der oben auf dem aktiven Bereich ausgebildet ist. Der VCSEL wird von einem Strom gesteuert, der durch den aktiven Bereich geleitet wird, be trieben, was typischerweise durch das Bereitstellen eines ersten Kontaktes auf die Rückseite des Substrates und eines zweiten Kontaktes oben auf dem zweiten Spiegelstapel erreicht wird.
  • Die Verwendung von Spiegelstapeln bei VCSELs hat sich in der Technik gut etabliert. Typischerweise werden Spiegelstapel durch eine Vielzahl von Schichtenpaaren, die oft auch als Spiegelpaare bezeichnet werden, gebildet. Die Schichtenpaare werden aus einem Materialsystem gebildet, welches im allgemeinen aus zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes besteht und bei dem auf einfache Weise eine Übereinstimmung der Gitter mit den anderen Teilen der VCSEL herstellbar ist. Beispielsweise verwendet ein auf GaAs basierender VCSEL typischerweise ein AlAs/GaAs- oder ein AlGaAs/AlAs-Materialsystem, bei dem der unterschiedliche Brechungsindex jeder Schicht eines Paares durch Verändern des Aluminiumgehalts in den Schichten erreicht wird. Bei herkömmlichen Bauelementen kann sich die Anzahl der Spiegelpaare pro Stapel im Bereich von 20-40 bewegen, um ein hohes prozentuales Reflexionsvermögen in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Brechungsindizes der Schichten zu erreichen. Die große Anzahl der Paare steigert den Prozentsatz an reflektiertem Licht.
  • Bei konventionellen VCSELs funktionieren konventionelle Materialsysteme entsprechend. Jedoch werden neue Produkte entwickelt, die VCSELs erfordern, welche Licht mit großen Wellenlängen aussenden. VCSELs, die Licht mit einer großen Wellenlänge aussenden, sind von großem Nutzen in der optischen Telekommunikationsindustrie. Beispielsweise kann ein langwelliger VCSEL durch Verwendung eines VCSEL mit einem InP enthaltenden aktiven Bereich erlangt werden. Falls ein InP enthaltender aktiver Bereich verwendet wird, muss ein InP/InGaAsP enthaltendes Materialsystem für die Spiegelstapel verwendet werden, um eine Gitterübereinstimmung zu erzielen. In diesem System ist es jedoch praktisch unmöglich, wegen der unbedeutenden Unterschiede in den Brechungsindizes in diesem Materialsystem, annehmbare DBRbasierende Spiegel zu erzielen. Es wurden viele Versuche unternommen, die sich mit diesem Problem befassen, einschließlich einer Waferbondtechnik, bei dem ein DBR-Spiegel auf ein separates Substrat aufgewachsen wird und auf den aktiven Bereich gebondet wird. Diese Technik hatte nur begrenzten Erfolg, und die Dichte der Grenzflächendefekte bei dem Waferverschmelzungsprozess erzeugt auch mögliche Zuverlässigkeitsprobleme.
  • Quantum Optoelectronics 1997, Technical Digest Series, Band 9, Seiten 126-128, Miyamoto et al.: "Design and Expected Characteristics of 1,3 um GaInNAs/GaAs Vertical Cavity Surface Emitting Lasers" beschreibt einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator und ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit vertikalem Resonator.
  • Deshalb wäre es sehr vorteilhaft, den obigen und anderen Mängeln, die dem Stand der Technik inhärent sind, abzuhelfen.
  • Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten langwelligen VCSEL bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verlässlichen langwelligen VCSEL bereitzustellen.
  • Noch eine weitere Aufgabe der unmittelbar vorliegenden Erfindung besteht darin, einen wirksamen aktiven Bereich und Spiegelstapel zur Verwendung in einem langwelligen VCSEL bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht noch darin, die Komplexität bei der Herstellung eines langwelligen VCSEL zu reduzieren.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen aktiven Bereich, der langwelliges Licht aussendet, und einen Spiegelstapel, dessen Gitter daran angepasst werden kann, bereitzustellen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator zum Aussenden langwelligen Lichts gemäß dem Anspruch 1 bereit.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonators zum Aussenden langwelligen Lichts, wie im Anspruch 6 beansprucht, bereit.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorigen und weitere und spezifischere Gegenstände und Vorteile der unmittelbaren Erfindung werden für den Fachmann leicht anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines diesbezüglichen bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich, wobei:
  • Fig. 1 eine Teilansicht des VCSEL entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • Fig. 2 eine Teilansicht des aktiven Bereichs des VCSEL gemäß Fig. 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
  • Wendet man sich nun den Zeichnungen zu, bei denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Darstellungen durchgehend entsprechende Elemente bezeichnen, sei die Aufmerksamkeit zunächst auf Fig. 1 gerichtet, die einen langwelligen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) darstellt, der im Allgemeinen mit 10 bezeichnet ist. Der VCSEL 10 wird auf einem Substrat 12 gebildet, welches in dieser speziellen Ausgestaltung GaAs (111) ist. GaAs (111) wird verwendet, um das epitaktische Aufwachsen der Bestandteile des VCSEL 10, welcher Licht mit langen Wellenlängen im Bereich von annähernd 1,3 um-1,55 um aussendet, zu erleichtern. Man sollte verstehen, dass GaAs (111) ferner als Substrat 12, bei dem die (111) Oberflächenkristallorientierung für längere Wellenlängen einen Dauerstrichbetrieb (CW) bei normalen Betriebstemperaturen erlaubt, verwendet wird. Außerdem berücksichtigt die Verwendung eines (111) orientierten Substrats die Ausdehnung einer ausgesendeten Wellenlänge bis zu 1,1 um was auf einer (100) Oberflächenkristallorientierung des Substrates äußerst schwer zu erzielen ist.
  • Das Substrat 12 weist eine obere Oberfläche 13 auf, auf der ein Spiegelstapel angeordnet ist. Der Spiegelstapel 14 enthält eine Vielzahl von Spiegelpaaren in einem GaAs/AlGaAs-Materialsystem. Ein aktiver Bereich 20 ist auf dem Spiegelstapel 14 angeordnet. Der aktive Bereich 20, wie in Fig. 2 detaillierter dargestellt ist, enthält eine aktive Struktur 23, die zwischen einem ersten Verkleidebereich 24, der zum ersten Spiegelstapel 14 benachbart ist, und einem zweiten Verkleidebereich 25 eingeschoben ist. Ein zweiter Spiegelstapel 26 ist auf dem zweiten Verkleidebereich 25 angeordnet und enthält Spiegelpaare in einem GaAs/AlGaAs-Material system.
  • Der Spiegelstapel 14 ist durch epitaktisches Ablagern von Schichtenpaaren auf dem Substrat 12 auf gewachsen. Um eine Übereinstimmung des Kristallgitters des Spiegelstapels 14 zu dem Substrat 12 zu erhalten, muss ein geeignetes Halbleitermaterialsystem abgelagert werden. In diesem speziellen Beispiel ist das Substrat 12 als GaAs (111) ausgebildet, und deshalb wird ein GaAs/AlGaAs-Materialsystem verwendet. Ungefähr 20-40 Spiegelpaare dieses Materialsystems werden auf dem Substrat 12 in Abhängigkeit von der Differenz zwischen den Brechungsindizes dieser Schichten abgelagert. Der unterschiedliche Brechungsindex dieser Schichten jedes Paares wird durch Verändern des Aluminiumgehalts erreicht. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel werden eine GaAl0,7As-Schicht und eine GaAs-Schicht, die ein Spiegelpaar bilden, bevorzugt. Die große Anzahl an Paaren erhöht den Prozentsatz an reflektiertem Licht.
  • Wieder bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 enthält der Verkleidebereich 24 eine oder mehrere Schichten, die, sofern es erforderlich ist, für eine effektivere Verengung der Ladungsträger in der aktiven Struktur 23 abgestuft sein können. In dieser speziellen Ausgestaltung ist der Verkleidebereich 24 aus einem GaAs-Materialsystem gebildet. Zum Beispiel enthält der Verkleidebereich 24 eine erste Schicht 30, die für eine Übereinstimmung des Gitters mit dem Spiegelstapel 14 aus GaAs gebildet ist, und eine zweite Schicht 31, die aus einem Material mit einem Gradienten zum effektiven Begrenzen der Ladungsträger auf die aktive Struktur 23 gebildet ist.
  • Die aktive Struktur 23 enthält in dieser Ausgestaltung drei auf Nitrid basierende Quantenmuldenschichten 35, 36 und 37, die durch Sperrschichten 38 und 39 getrennt sind. Zum Beispiel sind die Quantenmuldenschichten 35, 36 und 37 und die Sperrschichten 38 und 39 jeweils etwa 100 Å dick, und die gesamte Dicke des aktiven Bereichs 20 ist etwa eine Wellenlänge des emittierten Lichts oder ein Vielfaches davon. Die Quantenmuldenschichten 35, 36 und 37 sind aus Ga1-yInyAs1-x(N)x gebildet. Ein Fachmann wird verstehen, dass mehr oder weniger Quantenmuldenschichten und Sperrschichten abhängig von der Anwendung verwendet werden können. Der aktive Bereich 20 bzw. die ersten und zweiten Spiegelstapel 14 und 26 sind konfiguriert, um Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 1,3-1,55 um zu emittieren. Um diesen Bereich zu erreichen, sind die Quantenmulden mit einer direkten Energiebandlücke im Bereich von etwa 1,42 eV bei y = 0 bis 0,7 eV bei y = 0,3 konfiguriert. Der molare Anteil von Indium (0-30%) ist höher als erforderlich, wenn die VCSEL-Struktur auf einem (100) orientierten Substratelement auf gewachsen wird. Dadurch, dass die Einbindung eines auf Nitrid basierenden aktiven Bereichs der Quantenmulde bei geringen Wachstumstemperaturen schwierig ist, erleichtert die Verwendung des GaAs (111)-Substrates weiterhin die Vollendung des 1,3 um-Betriebs durch Hinzufügen eines geringen Anteils an Stickstoff zu dem InGaAs. Dieser Anteil ist viel geringer als derjenige, der für das GaAs (100) erforderlich wäre.
  • Der Verkleidebereich 25 enthält eine oder mehrere Schichten, die, sofern es für eine effizientere Begrenzung der Ladungsträger auf die aktive Struktur 23 erforderlich ist, abgestuft sein kann/können. In dieser speziellen Ausgestaltung ist der Verkleidebereich 25 aus einem GaAs- Materialsystem gebildet. Zum Beispiel enthält der Verkleidebereich 25 eine erste Schicht 40, die aus GaAs gebildet ist, um eine Übereinstimmung des Gitters mit dem Spiegelstapel 26 zu bilden, und eine zweite Schicht 41, die aus einem Material mit einem Gradienten für ein effizienteres Begrenzen der Ladungsträger auf die aktive Struktur 23 gebildet ist.
  • Der Spiegelstapel 26 ist durch epitaktisches Ablagern von Paaren von Schichten auf den Verkleidebereich 25 auf gewachsen. Um eine kristalline Übereinstimmung des Gitters des Spiegelstapels 26 auf die aktive Struktur 23 zu erhalten, muss ein geeignetes Halbleitermaterialsystem aufgebracht werden. In diesem speziellen Beispiel basiert der Verkleidebereich 25 auf GaAs und deshalb wird ein GaAs/AlGaAs-Materialsystem verwendet. Etwa 20-40 Spiegelpaare dieses Materialsystems werden auf den Verkleidebereich 25 abhängig von der Differenz der Brechungsindizes der Schichten abgelagert. Der unterschiedliche Brechungsindex dieser Schichten jedes Paares wird durch Verändern des Aluminiumgehalts erzielt. In dieser speziellen Ausgestaltung werden eine GaAl0,7As-Schicht und eine GaAs-Schicht, die ein Spiegelpaar bilden, bevorzugt. Die große Anzahl an Schichten erhöht den Prozentsatz des reflektierten Lichts.
  • Um den VCSEL 10 zu vervollständigen wird eine Kontaktschicht 45 auf den Spiegelstapel 26 positioniert, und eine Kontaktschicht 26 wird auf das Substrat 12, beispielsweise auf dessen rückseitiger Oberfläche, positioniert. Für einen Fachmann ist es klar, dass der Kontakt 45 so konstruiert wird, um die Emission von Licht von dem VCSEL 10 zuzulassen.
  • Verschiedene Änderungen und Modifikationen zu den hier genannten Ausgestaltungen, die zum Zwecke der Erläuterung gewählt wurden, werden sich für einen Fachmann leicht erschließen. Beispielsweise sollte es klar sein, dass die VCSEL-Struktursymmetrie sowohl für p- und n-Dotierstoffe wie auch für in elektrischer Hinsicht invertierte Strukturgestaltungen existieren. Soweit solche Modifikationen und Variationen nicht von dem Wesen der Erfindung abweichen, sind sie dazu bestimmt, in deren Umfang eingeschlossen zu werden, der lediglich durch eine angemessene Interpretation der folgenden Ansprüche beurteilt wird.
  • Während wir spezielle Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben haben, werden sich für einen Fachmann weitere Modifikationen und Verbesserungen ergeben. Daher soll man verstehen, dass diese Erfindung nicht auf die dargestellten speziellen Formen beschränkt ist und dass wir beabsichtigen, in den beigefügten Ansprüchen alle Modifikationen, die nicht von dem Umfang dieser Erfindung abweichen, einzuschließen.

Claims (8)

1. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator zum Aussenden langwelligen Lichts, wobei der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator folgende Merkmale umfasst:
ein GaAs-Substrat (12);
einen ersten Spiegelstapel (14), der auf dem GaAs-Substrat (12) angeordnet ist;
einen aktiven Bereich (20) aus GaInAsN, der eine auf Nitrid basierende Quantenmulde (35, 36 & 37) enthält, wobei der aktive Bereich (20) auf dem ersten Spiegelstapel (14) angeordnet ist; und
einen zweiten Spiegelstapel (26), der auf dem aktiven Bereich (20) angeordnet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass:
das GaAs-Substrat ein GaAs-(111)-Substrat ist; und der aktive Bereich (20) und der erste und zweite Spiegelstapel (14 & 26) so ausgebildet sind, um langwelliges Licht im Bereich von etwa 1,3-1,55 Mikrometer auszusenden.
2. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator gemäß Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das auf Nitrid basierende Quant (35, 36 & 37) für eine direkte Energiebandlücke im Bereich von etwa 1,42 bis 0,7 eV ausgelegt ist.
3. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator gemäß Anspruch 1, bei dem die auf Nitrid basierende Quantenmulde (35, 36 & 37) Ga1-yInyAs1-x(N)x enthält.
4. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator gemäß Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die auf Nitrid basierende Quantenmulde (35, 36 & 37) Ga0,7In0,3NxAsx-1 enthält.
5. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator gemäß Anspruch 4, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass x im Bereich von 0,001-0,1 liegt.
6. Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator zum Aussenden langwelligen Lichts, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Bereitstellen eines GaAs-Substrates (12), das eine Oberfläche (13) auf weist;
epitaktisches Aufwachsen eines ersten Spiegelstapels (14) auf die Oberfläche (13);
epitaktisches Aufwachsen eines aktiven Bereichs (23) aus GaInAsN, der eine auf Nitrid basierende Quantenmulde (35, 36 & 37) auf dem ersten Spiegelstapel (14) enthält; und
epitaktisches Aufwachsen eines zweiten Spiegelstapels (26) auf dem aktiven Bereich (23);
dadurch gekennzeichnet, dass
das GaAs-Substrat als GaAs-(111)-Substrat bereitgestellt wird; und
der aktive Bereich (20) und der erste und zweite Spiegelstapel (14 & 26) so ausgebildet sind, um Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 1,3-1,55 Mikrometer auszusenden.
7. Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator zum Aussenden langwelligen Lichts gemäß Anspruch 6, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des epitaktischen Auf Wachsens eines aktiven Bereichs (23) aus GaInAsN ein epitaktisches Aufwachsen der auf Nitrid basierenden Quantenmulde (35, 36 & 37), die Ga1-yInyAs1-x(N)x enthält, einschließt.
8. Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator zum Aussenden langwelligen Lichts entsprechend Anspruch 6, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des epitaktischen Aufwachsens eines Bereichs (23) aus GaInAsN ein epitaktisches Aufwachsen der auf Nitrid basierenden Quantenmulde (35, 36 & 37), die Ga0,7In0,3NxASx-1 enthält, einschließt.
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