DE69813899T2

DE69813899T2 - Bandlückenisolierte lichtemittierende vorrichtung

Info

Publication number: DE69813899T2
Application number: DE69813899T
Authority: DE
Inventors: H. Johnson
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Finisar Corp
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-11-20
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2018-11-21
Also published as: US6064683A; DE69813899D1; EP1315216B1; DE69828712T2; EP1315216A2; EP1048081A1; DE69828712D1; EP1048081B1; EP1315216A3; WO1999031735A1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft das Gebiet von lichtemittierenden Halbleitervorrichtungen und betrifft insbesondere eine Strombegrenzung innerhalb von Lasern.
Der typische Halbleiterlaser ist eine doppelte Heterostruktur mit einer Schicht mit schmaler Bandlücke, hohem Brechungsindex, die an gegenüberliegenden Hauptflächen von Schichten mit breiter Bandlücke, niederem Brechungsindex umgeben ist. Die Schicht schmaler Bandlücke wird als "aktive Schicht" bezeichnet und die Unterschiede in der Bandlücke und im Brechungsindex dienen zur Begrenzung sowohl von Ladungsträgern als auch optischer Energie auf die aktive Schicht oder Region. Gegenüberliegende Enden der aktiven Schicht haben Spiegelfacetten, die den Laser-Resonator bilden. Die Plattierschichten weisen entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen auf und, wenn Strom durch die Struktur geleitet wird, vereinen sich Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht zur Erzeugung von Licht.
Es wurden mehrere Arten von oberflächenemittierenden Lasern entwickelt. Ein solcher Laser, der vielversprechend ist, ist ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL; oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator). (Siehe zum Beispiel "Surface-emitting microlasers for photonic switching and inter-chip connections", Optical Engineering, 29, S. 210-214, März 1990, bezüglich einer Beschreibung dieses Lasers. Andere Beispiele finden sich in U.S. Patent 5,115,442, von Yong H. Lee et al., erteilt am 19. Mai 1992, mit dem Titel "Top-emitting surface emitting laser structures", und U.S. Patent 5,475,701, erteilt am 12. Dezember 1995, von Mary K. Hibbs-Brenner, und mit dem Titel "Integrated laser power monitor" Siehe auch "Top-surface emitting GaAs four-quantum-well lasers emitting at 0.85 um" Elektronic Letters, 26, S. 710-711, 24. Mai 1990). Der beschriebene Laser hat eine aktive Region mit massivem Material oder einer oder mehreren Quanten-Well-Schichten. Die Quanten-Well- Schichten sind mit Sperrschichten verschachtelt. An gegenüberliegenden Seiten der aktiven Region befinden sich Spiegelstapel, die durch verschachtelte Halbleiterschichten gebildet sind, die derartige Eigenschaften aufweisen, dass jede Schicht für gewöhnlich bei der Wellenlänge (in dem Medium) von Interesse eine Viertel Wellenlänge dick ist, wodurch die Spiegel für den Laser-Resonator gebildet werden. An gegenüberliegenden Seiten der aktiven Region befinden sich Regionen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und der Laser wird durch Ändern des Stroms durch die aktive Region ein- und ausgeschaltet. Es ist jedoch eine Technik zum digitalen Ein- und Ausschalten des Lasers, Ändern der Stärke der emittierten Strahlung von einem Vertical Cavity Surface Emitting Laser durch Spannung, mit einem unveränderlichen eingespeisten Strom wünschenswert. Eine solche Steuerung steht mit einem spannungsgesteuerten Dreifachanschluss-VCSEL zur Verfügung, wie in U.S. Patent 5,056,098, von Philip J. Anthony et al. beschrieben ist, das am 8. Oktober 1991 erteilt wurde.
Es ist aus mehreren Gründen wünschenswert, oberflächenemittierende Vorrichtungen zu verwenden. Zum Beispiel können oberflächenemittierende Vorrichtungen verhältnismäßig leicht in Gruppen hergestellt werden, während kantenemittierende Vorrichtungen nicht leicht in Gruppen hergestellt werden können. Eine Reihe von Lasern kann durch Züchten der gewünschten Schichten auf einem Substrat und durch anschließendes Strukturieren der Schichten zur Bildung der Gruppe hergestellt werden. Einzelne Laser können separat mit geeigneten Kontakten angeschlossen werden. Solche Gruppen sind in verschiedenen Anwendungen, wie zum Beispiel bildverarbeitenden Inter-Chip-Kommunikationen, d. h., optischen Zwischenverbindungen und so weiter, möglicherweise nützlich. Zweitens werden typische kantenemittierende Laser durch Ändern des Stromflusses durch die Vorrichtung ein- und ausgeschaltet. Dies erfordert eine verhältnismäßig große Änderung in dem Strom durch die Vorrichtung, die unerwünscht ist; der oberflächenemittierende Laser, der in der Folge beschrieben wird, benötigt einen geringeren Ansteuerungsstrom und somit muss die Änderung des Stroms zum Umschalten des VCSEL nicht so groß sein.
Obere oberflächenemittierende VCSELs auf AlGaAs-Basis sind analog integrierten Halbleiterschaltungen herstellbar und für eine Herstellung mit geringen Kosten und hohem Volumen sowie für einen Einbau in bestehende elektronische Technologieplattformen geeignet. Ferner wurde eine Gleichförmigkeit und Reproduzierbarkeit von VCSELs unter Verwendung einer standardmäßigen, nicht modifizierten, im Handel erhältlichen, metallorganischen Dampfphasenepitaxie-Kammer ("metal organic vapor phase epitaxy" - MOVPE-Kammer) und einer Molekularstrahlepitaxie ("molecular beam epitaxy" - MBE) nachgewiesen, die sehr hohe Vorrichtungsausbeuten lieferten.
In Fig. 1 ist ein Diagramm eines Zweifachanschluss- VCSEL 10 dargestellt. Auf einem n+ Galliumarsenid- (GaAs) Substrat 14 ist ein n- Kontakt 12 ausgebildet. Wie dargestellt, ist das Substrat 14 mit Unreinheiten eines ersten Typs (d. h., n-Typ) dotiert. Ein n- Spiegelstapel 16 ist auf dem Substrat 14 ausgebildet. Auf dem Stapel 16 sind Schichten 18 ausgebildet. Die Schichten 18 haben eine untere n-Begrenzungs- oder Abstandsschicht 20, die auf dem Stapel 16 ausgebildet ist, eine aktive Region 22, die auf der Schicht 20 ausgebildet ist, und eine obere n-Begrenzungs- oder Abstandsschicht 24, die auf der aktiven Region 22 ausgebildet ist. Ein p- Spiegelstapel 26 ist auf der oberen Begrenzungsschicht 24 ausgebildet. Wie festgehalten wurde, können Begrenzungsschichten 20 und 24 manchmal als Abstandshalter bezeichnet werden, zwischen welchen die aktive Region 22 liegt. Eine p- Metallschicht 28 ist auf dem Stapel 26 gebildet. Die Emissionsregion kann eine Passivierungsschicht 30 haben. Eine Isolierungsregion 29 schränkt den Bereich des Stromflusses 27 durch die aktive Region ein. Die Region 29 kann durch tiefe H+ Ionenimplantation oder durch andere bekannte Techniken gebildet werden.
Die Schichten 18 können Quanten-Wells enthalten, die zwischen den Spiegelstapeln 16 und 26 angeordnet sind. Die Stapel 16 und 26 sind verteilte Bragg-Reflektorstapel. Die aktive Quanten-Well-Region 22 hat abwechselnde Schichten aus Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs)-Sperrschichten und GaAs-Well-Schichten. Die Stapel 16 und 26 haben periodische Schichten aus dotiertem AlGaAs und Aluminiumarsenid (AlAs). Das AlGaAs des Stapels 16 ist mit derselben Art von Unreinheit dotiert wie das Substrat 14 (d. h., n-Typ) und das AlGaAs von Stapel 26 ist mit einer anderen Art von Unreinheit dotiert (d. h., p-Typ).
Die Kontaktschichten 12 und 28 sind ohmsche Kontakte, die eine richtige elektrische Vorspannung der Laserdiode 10 ermöglichen. Wenn der p-n-Übergang des Lasers mit einer positiveren Spannung am Kontakt 28 als am Kontakt 12 in die Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, fließt Strom vom Kontakt 28 durch die Stapel zu Kontakt 12 und die aktive Region 22 sendet Licht 32 aus, das durch den Stapel 26 geht.
Es kann ein sättigungsfähiger Absorber, wie beispielsweise Schicht 25, vorhanden sein, der zum Beispiel aus GaAs besteht, um Licht bei Wellenlängen (λ) von weniger als 870 nm zu absorbieren, oder aus InXGa1-xAs Quanten-Wells bestehen (wie 80 Ångström in der Dicke und wobei x beispielsweise 0,2 sein kann), um Licht bei Wellenlängen von weniger als einem Mikron zu absorbieren. Die Schicht 25 kann eine Dickenordnung von λ/4 aufweisen, muss aber nicht derart sein. Die Schicht 25 kann irgendwo in dem Stapel der Vorrichtung 10 angeordnet sein. Stattdessen kann zum Beispiel eine Schicht 31 der sättigungsfähige Absorber sein. Die Anordnung des sättigungsfähigen Absorbers an einer Position im Resonator in den Schichten 16 bis 26 wird durch den Begrenzungsfaktor beeinflusst. Der sättigungsfähige Absorber kann auch in den Abstandsregionen 20 oder 24 angeordnet sein. Zum Beispiel kann die sättigungsfähige Absorberschicht 25 einen k. Abstand von k Einviertel-Wellenlängen zur aktiven Region 22 haben:
Eine Dreifachanschlussversion eines Vertical Cavity Surface Emmiting Lasers ist in einer Schnittansicht in Fig. 2 dargestellt, im Gegensatz zu dem Zweifachanschluss-VCSEL von Fig. 1. Die Frequenz der Eigenpulsierungen von VCSE1-60-Licht 70 kann mit einer Antriebsleistung variierender Amplitude zwischen den Anschlüssen 52 und 50 moduliert oder abgestimmt werden. Ein sättigungsfähiger Absorber kann irgendwo zwischen den Anschlüssen 52 und 50 angeordnet sein. Diese billige, leistungsschwache Vorrichtung 60 hat eine signifikante Frequenzmodulationsbandbreite. Das Anlegen von Strom über die Anschlüsse 48 und 50 des VCSEL 60 kann konstant aber abgestimmt sein, um die richtige Eigenpulsierungsmittenfrequenz und/oder den richtigen Lichtausgang zu erhalten. Diese Konfiguration hätte eine minimale Amplitudenmodulation des VCSEL-60-Lichts 70 zur Folge, im Gegensatz zu einem stromgespeisten, frequenzmodulierten Zweifachanschluss-VCSEL. Für gewöhnlich hat die Dreifachanschluss-Vorrichtung 60 einen unveränderlichen konstanten Strom zwischen den Anschlüssen 48 und 50, was zu einem bestimmten Spannungs- Strom (VI) (in Rückwärtsrichtung oder Vorwärtsrichtung vorgespannt) führt, der zwischen diesen Anschlüssen angelegt wird.
Für den Fachmann ist offensichtlich, dass einige Elemente, die zum Verstehen der Erfindung nicht wesentlich sind, entweder nicht dargestellt oder nicht ausführlich beschrieben sind, Zum Beispiel ist in Fig. 2 nur ein einziger Laser dargestellt, obwohl rasch festgestellt wird, dass für gewöhnlich eine Gruppe von Lasern vorhanden sein kann. Dargestellt sind Substrate 34, Regionen 36 und 46 mit einer aktiven Region 38 eines ersten Leitfähigkeitstyps, Regionen 40 und 42 eines zweiten Leitfähigkeitstyps, mit einer sättigungsfähigen Absorptionsregion 44 mit einem oder keinem Leitfähigkeitstyp, abhängig von Konstruktions- und Betriebsbedingungen. Im Allgemeinen ist die erste Leitfähigkeit der n-Typ und die zweite der p-Typ. Die Region 44 kann eine beliebige Anzahl von massiven Materialien oder eine oder mehrere Quanten-Wells umfassen, die normalerweise bei der Laserwellenlänge absorbieren. Die Regionen 36, 40, 42 und 46 umfassen Spiegel, die als Interferenzspiegel dargestellt sind. Die Region 36 umfasst einen ersten Spiegel. Aus Gründen der Deutlichkeit sind nur mehrere Schichten dargestellt. Geeignete Regionen verschiedener Leitfähigkeitstypen werden vom Fachmann leicht gewählt. Die Regionen 40, 42, 44 und 46 bilden einen zweiten verteilten Spiegel mit einem Resonator Q und somit einer Oszillationsfrequenz, die über Leistung steuerbar ist, die an den sättigungsfähigen Absorber durch die Kontakte 50 und 52 angelegt wird. Die aktive Region umfasst für gewöhnlich eine oder mehrere Quanten-Well-Regionen, die mit Sperrschichten verschachtelt sind, d. h., Schichten mit einer größeren Bandlücke als die Bandlücke der Quanten-Well- Region. Die Verwendung von massiven Halbleitern an deren Stelle ist jedoch nicht ausgeschlossen. Es gibt erste, zweite und dritte elektrische Kontakte 48, 50 und 52 zu der Region 36, Region 40 beziehungsweise Schicht 46. Ein Kontakt 48 kann physisch an dem Substrat 34 gebildet werden, wenn das Substrat leitend und nicht halbisolierend ist. Die Isolierungsregion, Modussteuerung oder Strombegrenzung 54 grenzt den Bereich des Stromflusses durch die aktive Region auf den Bereich ein, der im Allgemeinen unter der Region 46 liegt. Die Isolierungsregion 54 kann z. B. durch tiefe Ionenimplantation gebildet werden. Andere Formen einer Strom- und optischen Begrenzung können verwendet werden. Die Abschnitte der Regionen 36 und 40 des ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps bilden Mittel zum Einspeisen von Trägern in die aktive Region. Die ersten und zweiten Interferenzspiegel umfassen ferner eine Mehrzahl verschachtelter erster und zweiten Halbleiterschichten, wobei jede Schicht derartige Eigenschaften aufweist, dass sie für gewöhnlich ein Viertel einer Wellenlänge der Mediumwellenlänge von Interesse dick ist, wodurch der entsprechende Interferenzspiegel gebildet wird. Die einzelnen Schichten der aktiven Region und die Interferenzspiegel werden nicht besonders beschrieben, da dem Fachmann die Struktur dieser Elemente bekannt ist.
Das Substrat 34 ist leitendes oder halbisolierendes GaAs, und die Regionen 36, 40, 42 und 46 umfassen abwechselnd Schichten aus AlAs und AlGaAs als Beispiel, mit Eigenschaften, wie in dem vorhergehenden Paragraf beschrieben ist. Die aktive Region kann eine oder mehrere GaAs (oder z. B. InxGa1-xAs) Quanten-Wells umfassen, die mit AlGaAs-Sperrschichten verschachtelt sind. Die sättigungsfähige Absorberregion (SA-Region) 44 ist optisch an die Region 40 gekoppelt, d. h., die Absorption aufgrund des SA liegt innerhalb der verteilte Spiegel enthaltenden Regionen 40, 42, 44 und 46. Die Region 46 umfasst Interferenzspiegelschichten aus z. B. AlAs und AlGaAs, und hat einen ersten Leitfähigkeitstyp. Der Fachmann wählt sofort richtige Schichtendicken und diese Parameter müssen nicht ausführlich beschrieben werden. Die Verwendung anderer Halbleiter wird in Betracht gezogen und der Fachmann wird leicht die richtige Wahl treffen. Zum Beispiel können andere Halbleiter der Gruppe III-IV verwendet werden.
Herkömmliche und allgemein bekannte epitaxiale Wachstumstechniken, wie die Molekularstrahlepitaxie oder metallorganische chemische Bedampfung, können zum. Züchten der beschriebenen Schichten verwendet werden. Nachdem die Schichten gezüchtet wurden, werden dann herkömmliche Strukturierungstechniken verwendet, um die einzelnen Laser in der Gruppe zu bilden. Elektrische Kontakte zu den einzelnen Lasern werden ebenso hergestellt. Der Fachmann wird sofort die richtigen Strukturierungs- und Kontaktierungstechniken wählen.
Die Frequenz der Oszillation des eigenpulsierenden Lichts, das von der Vorrichtung emittiert wird, kann durch Regulieren der Eigenschaften der SA-Region in der VCSEL-Struktur verändert werden. Eine Ausführungsform kann eine Strom- oder Spannungsänderung eines massiven oder Quanten-Well-Materials verwenden, wie den quantenbegrenzten Stark-Effekt in Quanten-Wells. Dieser Effekt ist allgemein bekannt und dem Fachmann verständlich: der Effekt ist in Kapitel 4 mit dem Titel "Nonlinear optical properties of semiconductor quantum wells", von D. S. Chemla et al. in Optical Nonlinearities and Instabilities in Semiconductors, S. 339-347, (Academic Press 1988) beschrieben. Im Prinzip hängt die Absorption von der Größe des elektrischen Feldes in dem Quanten-Well ab.
Ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser braucht verhältnismäßig große Reflexionsgrade in beiden Spiegelstapeln zum Lasern; für gewöhnlich sollten die Spiegelstapelreflexionsgrade 99 Prozent oder mehr betragen. Die SA-Region dient als vorspannungsabhängiger Absorber, durch richtiges Ändern der Vorspannung kann die Laserpulsierung bei verschiedenen Raten frequenzmoduliert werden. Eine kleine Spannungs- oder Stromänderung kann verwendet werden, um die Absorption oder Trägerdichte des SA und somit die Frequenz der VCSEL-Eigenpulsierung zu ändern. Die Größe des Stroms, der durch die Kontakte 48 und 50 der Vorrichtung 60 von Fig. 2 geliefert wird, kann im Wesentlichen konstant bleiben, während der Laser moduliert wird. Dies vereinfacht die Konstruktion der Leistungsversorgung (nicht dargestellt) und minimiert die Probleme, die andernfalls aufgrund der unterschiedlichen Wärme entstehen, die in der Vertical Cavity Laser-Gruppe erzeugt werden, aufgrund der unterschiedlichen Trägerdichte in der aktiven Region und aufgrund der daraus resultierenden Indexänderungen im optischen Resonator.
In Fig. 2 stellt der Anschluss 50 den oberen Kontakt (für gewöhnlich vom p-Typ) dar und der Anschluss 48 stellt den unteren Kontakt (für gewöhnlich vom n-Typ) dar. Der untere Kontakt kann eine herkömmliche Metallisierung an dem bodenartigen Kontakt 12 sein, wie in Fig. 1 dargestellt. Der Kontakt 52 stellt eine dritte Verbindung dar, die entweder zur Vorspannung in die Rückwärtsrichtung oder zur Vorspannung in die Vorwärtsrichtung der sättigungsfähigen Absorberschicht verwendet werden kann, die schematisch durch die Schicht 44 dargestellt ist.
Licht von der Vorrichtung kann entweder durch das Substrat an einem Ende oder den oberen Spiegel am anderen Ende ausgestrahlt werden. Es versteht sich auch, dass der Begriff "vertikal" in der Bedeutung von senkrecht zu den Hauptflächen des Substrates verwendet wird. Das Mittel zum Einspeisen der Leistung kann an gegenüberliegenden Seiten der aktiven Region einen ersten und zweiten Leitfähigkeitstyp aufweisen, entweder entlang der Achse, die durch den ersten Spiegel, die aktive Region und den zweiten Spiegel gebildet wird, oder entlang einer anderen Achse.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung stellt eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 definiert, bereit.
Die Vorrichtung kann die Merkmale eines oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis 21 enthalten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine Darstellung eines ebenen, stromgeleiteten GaAs/AlGaAs oberen oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Resonator.
Fig. 2 ist ein Querschnitt eines frequenzmodulierten Dreifachanschluss-VCSEL.
Fig. 3, 4 und 5 sind Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 6 zeigt die Struktur des Aluminiumgehalts in der Elektroneneinfangstruktur einer Abstandsregion einer lichtemittierenden Vorrichtung.
Fig. 7 zeigt den Absolutwert des optischen elektrischen Feldes in einer Leitungsschicht einer lichtemittierenden Vorrichtung.
Fig. 8 zeigt eine ändere Ausführungsform der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine lichtemittierende Struktur 56, welche die vorliegende Erfindung beinhaltet, ist in Fig. 3 dargestellt. Schichten 58 bilden einen unteren n-Typ Halbleiterspiegel. Auf dem unteren Halbleiterspiegel ist eine Al-reiche Elektroneneinfangschicht 62 gebildet. Auf der Einfangschicht 62 sind aktive Schichten 64 und 66 vom n- oder p-Typ, für gewöhnlich vom p-Typ, gebildet. Auf der Schicht 66 ist ein oberer Halbleiterspiegel vom p-Typ 68 gebildet. Kohlenstoff und Silicium können in der Struktur auf GaAs-Basis als p- beziehungsweise n-Dotierungstypen verwendet werden. Eine Leitungsschicht 72 ist auf dem oberen Halbleiterspiegel 68 gebildet. Auf der Leitungsschicht 72 ist eine Kappe 74 gebildet. Die Leitungsschicht 72 verteilt den Strom und stellt einen niederen Widerstand bereit. Ein Protonenimplantat 76 ist in dem Wafer 78 gebildet. Das Implantat 76 stellt ein Widerstandsprofil bereit, das durch einen durch Tonenbeschuss verursachten kristallinen Schaden erzeugt wird, der auf die Ionenimplantation 76 zurückzuführen ist. Diese Ionenimplantation isoliert die Vorrichtungen und verringert die Kapazität. Die Ionenimplantation 76 ist so gewählt, dass sie zu einem halbisolierenden Material von der Oberfläche führt, wenigstens durch die aktive Region. Ein Vorspannungsstrom wird zu der oberen Elektrode geleitet und geht durch die aktive Verstärkungsregion. Durch den Ionenbeschuss 76 erfolgt nur ein Widerstandsanstieg. Das Implantat 76 ergibt einen gemeinsamen Abschnitt, der im Allgemeinen einen kreisförmigen Querschnitt mit einem Innendurchmesser 84 hat und physisch vorwiegend im Sinne des Schadens definiert ist, der auf die Regionen außerhalb des säulenförmigen Abschnittes durch die Verwendung der Resistregion begrenzt ist. Es ist eine aktive Verstärkungsregion 80 vorhanden, die vorwiegend in der aktiven Schicht 64 liegt.
Eine weitere Diffusion oder ein Implantat 82 ist auf den Wafer 78 aufgebracht. Die Ionen sind jene von Beryllium (Be). Das Implantat 82 bildet eine Säule oder einen Abschnitt 86, der kreisförmig mit einem Innendurchmesser 86 ist. Im Gegensatz dazu bildet das Implantat 76 eine isolierende Region außerhalb der Dimension 84, die eine parasitäre Kapazität verringert und die Vorrichtung von anderen isoliert. Das Implantat 76 hat keinen strombegrenzenden Zweck. Das Implantat 82 schiebt den p-n-Übergang die Struktur nach unten in die Region 62 an Stellen 88, indem ein n-Typ dotiertes Material zu einem p-Typ dotierten Material umgewandelt wird. Dieser p-n-Übergang wird in ein breiteres Energielückenmaterial mit der p-Typ Be-Dotierung aus der implantierten Region geschoben. Die aktive Region hat einen p-n-Übergang in einem schmalen Bandlückenmaterial, was dazu führt, dass die Einschaltspannung des Peripheriematerials höher als die Einschaltspannung in der Mitte des Lasers ist. Bei normalem Betrieb fließt, wenn überhaupt, ein sehr geringer Strom am Breitlücken-p-n-Übergang. Der stärkste und, einzig signifikante Stromfluss ist in der aktiven Schmallückenregion, wegen der geringeren Einschaltübergangsspannung, da sich der p-n-Übergang in dem Schmallückenmaterial an oder nahe den Quanten-Wells, falls vorhanden, befindet.
An der Oberseite des Wafers 78 ist über dem Lichtwellenleiter der Dimension 86 ein dielektrischer Stapelspiegel 90 gebildet. Der Spiegel 90 hat abwechselnd Schichten aus TiO&sub2; und SiO&sub2;. An der Oberseite des dielektrischen Stapelspiegels befindet sich eine Wolframopferschicht 92. An der Oberfläche des Wafers 78 ist auch ein nicht selbstausgerichtetes Metall 91 an der linken Seite und ein selbstausgerichtetes Metall 93 an der rechten Seite des Stapels 90 ausgebildet, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Auf dem Wafer 78 ist auch ein Fotoresistmaterial 95 zum Abheben gebildet.
Anstatt ein Protonenimplantat zur Isolierung der Struktur zu verwenden, kann ein Ätzen zu dessen Isolierung verwendet werden. Die Ätzung 97 ist einfach eine gerade Ätzung nach unten in den unteren Spiegel 58 von Fig. 4. Wenn diese Ätzung verwendet wird, kann eine zusätzliche seitliche Inter-Oxidation 98 oder 99 verwendet werden, wie in Fig. 5 dargestellt. Die seitliche Ätzung oder Oxidation erzeugt einen Linseneffekt bei dem Licht. Die seitliche Ätzung/Oxidation 98 wird an dem unteren Teil des oberen Abstandshalters 66 ausgeführt und die Oxidation 99 wird in einer oberen Schicht des Spiegels 58 ausgeführt.
Die optimale Vorrichtung sollte keine parasitären Kantenströme haben, sollte indexgeleitet sein, sollte kontrastreiche Spiegel haben und sollte selbstausgerichtet sein, um herstellbar zu sein. Die optimale Vorrichtung richtet in jeder Ausführung, wie in Fig. 3, einen hohen Schwellspannung- oder breiten Bandlücken- Halbleiterübergang 88 abseits der aktiven Region 80 oder des Überganges 89 ein. Dies erhöht die Spannung in Vorwärtsrichtung des Überganges 88 und führt zu einer Strombegrenzung auf eine geringere Einschaltspannung innerhalb der aktiven Region 80 an dem Übergang 89 in dem schmalen Bandlücken-Halbleitermaterial. Die vorliegende Vorrichtung 56 verwendet ein Be-Implantat 82 (oder ein anderes Implantat vom p-Typ) zur Erzeugung eines Wellenleiters mit der Dimension 86 zur Bestimmung der Moden. Wenn der Dotierungswert zu gering ist, wird der Leiter nicht durch das Be-Implantat 82 erzeugt. Sowohl der Lichtwellenleiter 86 als auch die elektrische Strombegrenzung 86 sind mit einem dielektrischen Stapelspiegel/Wellenleiter 90 an der Oberseite der Vorrichtung 56 selbstausgerichtet. Die Position des p- n-Überganges 88 liegt in der Elektroneneinfangschicht 62 aus Breitlückenmaterial oder mit hohem Aluminiumgehalt, deren Zusammensetzung eine Minoritätenträgereinfangstruktur erzeugt. Die Schicht 62 dient auch als Abstandshalter und stellt gemeinsam mit dem Abstandshalter 66 eine Resonatorlänge 100 geeigneter Resonanz zwischen den Spiegeln 58 und 68 bereit. Die Anfangs- (Boden) und Endschicht (Oberseite) des dielektrischen Stapelspiegels 90 haben die Materialien mit höherem Index (z. B. TiO&sub2; anstelle von SiO&sub2;) der Schichten in dem Stapel 90. Dies ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Absorption in der Kappenschicht 74 zu minimieren. Die Leitungsschicht 72 hat ein wahlweises geschichtetes Dotierungsschema, so dass die Spitzen des elektrischen Feldes dort auftreten, wo eine verhältnismäßig geringe Dotierung vorliegt, und die Minima des elektrischen Feldes bei maximaler Dotierung auftreten. Ein Minimum des elektrischen Feldes tritt auch an der Kappenschicht 74 auf. Ein Metallkontakt 91 oder 93 kann selbstausgerichtet sein oder nicht.
Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 3 weist die Struktur 56 ein selbstausgerichtetes Metall 93 und ein Protonenimplantat 76 zur Isolierung auf. Das Metall 91 ist nicht selbstausgerichtet. Das Protonenimplantat 76 ist nicht die einzige Möglichkeit, die Struktur 56 zu isolieren. Untere Abstandsschichten 62 sorgen für eine ausreichende Tiefe des Be-Implantats 82. Das heißt, es ist wichtig, dass sich der p-n-Übergang 88, der sich aus dem Be-Implantat 82 ergibt, in der unteren Abstandsregion befindet und den Abstandshalter 62 vergrößert, indem die erste Halbperiode des unteren Spiegels 58 darin eingegliedert wird, wodurch eine höhere Prozesstoleranz erhalten wird. Ein oberer Abstandshalter 66 ist zwischen der aktiven Region 64 und dem oberen Spiegel 68 angeordnet.
Eine Ätzung 97 isoliert die Vorrichtung von Fig. 4. Mit der Ätzung 97 kann eine zusätzliche seitliche Ätzung oder Oxidation 98 oder 99 in Fig. 5 verwendet werden. Seitliche Ätzungen/Oxidationen 98 und 99 sind alternative Methoden zur Schaffung eines Linseneffekts und einer Lasermodussteuerung.
Ein Merkmal der Erfindung ist die Anordnung des Be- Implantats 82, das zu einem p-n-Übergang 88 mit einer höheren Übergangsspannung in dem Breitlückenmaterial führt. Der Strom wird dann auf die Mitte der aktiven Region 80 begrenzt, wo der Mangel an Be-Implantat 82 dazu führt, dass der p-n-Übergang in dem Schmallückenmaterial verbleibt und eine geringere Übergangsspannung hat. Somit ergibt sich aus einer bestimmten Spannung, die über den Übergang angelegt wird, welche die untere Übergangsspannung überschreitet, aber geringer als die höhere Übergangsspannung ist, ein Stromfluss über den p-n-Übergang nur in dem Schmallückenmaterial, wodurch eine Strombegrenzung in der Mitte der Struktur und innerhalb des Umfangs des Be-Implantats 82 erhalten wird. Das Implantat 82 verringert die parasitären Ströme und stellt einen Lichtwellenleiter 86 bereit.
Das Implantat 82 ist mit dem dielektrischen Stapelspiegel 90 selbstausgerichtet, so dass ein kontinuierlicher Lichtwellenleiter erhalten wird, und die Führung 86 ist mit der aktiven Region 80 selbstausgerichtet, die den begrenzten Stromfluss und die Quenten-Wells innerhalb des Innenumfangs des Be-Implantats 82 hat.
Eine Elektroneneinfangstruktur der unteren Abstandsregion 62 wird durch Ändern des Aluminiumgehalts in einer Reihe von Wells 101 erreicht, wie in Fig. 6 dargestellt ist. In der vorliegenden Konstruktion gibt es sieben Änderungen verschiedener Aluminiumgehalte, um solche Wells 101 zu schaffen. Berechnungen zeigen, dass 85 bis 95 Prozent oder ein Delta einer 5 bis 15 Prozent Änderung des Aluminiumgehaltes von AlAs ausreichend ist. Ein Well kann ebenso ausreichend sein. Die Wells in dem unteren Abstandshalter werden zur Verringerung der Minoritätenträgerdiffusionslänge verwendet.
Der obere Halbleiterspiegel 68 kann als optional betrachtet werden. Er sorgt für zusätzliche Zuverlässigkeit. Die maximale Dicke des oberen Spiegels 68 ist dadurch begrenzt, wie tief das Be-Implant/die Diffusion 82 gehen kann. Dieser Spiegel ermöglicht auch eine stärkere Dotierung in der Leitungsschicht 72 durch Reflexion des Großteils des Lichts, bevor es zu der hohen Absorption durch freie Träger der Leitungsschicht 72 gelangt. Die Kappenschicht 74, die sich an der Oberseite der Leitungsschicht 72 befindet, ist reines GaAs mit einer sehr starken Dotierung für den elektrischen Kontakt. Fig. 7 zeigt das elektrische Feld gegenüber der Position in der Leitungsschicht 72 und der Kappenschicht 74.
Zur Bildung der Vorrichtung 56 wird ein unterer n- Spiegel 58 gemeinsam mit einer aktiven Region 64 und einem verkleinerten oberen Spiegel 68 gezüchtet. Der verkleinerte obere Spiegel 68 kann in einer dünnen Kontaktschicht enden. Der gezogene p-n-Übergang 88 kann nahe den Quanten-Wells in dem breiteren Lückenmaterial oder sogar in der Quanten-Well-Region 64 liegen. Auf kontrastreichen dielektrischen Spiegelschichten 90 ist an der Oberseite eine Opferschicht 92 abgeschieden. Der dielektrische Spiegelstapel 90 ist strukturiert und wird als Maske für das Be-Implantat 82 verwendet. Falls erforderlich, verbleibt Resist auf dem Stapel 90 für das Implantat. Be muss durch die aktive Region 64 und in den Abstandshalter 62 gehen, aber deutlich vor den unteren Lückenmaterial-Spiegelschichten 58 stoppen. Das Implantat 82 erreicht die Mitte der aktiven Region 80 nicht, da die Opferschicht 92 den dielektrischen Stapel 90 maskiert. Die Ätzung des dielektrischen Stapels 90 kann eine negative Neigung haben, um ein Abheben der Schicht 93 zu verbessern.
Das Be-Implantat 82 ist geglüht. Dies begrenzt das Opfermaterial 92 und die Dielektrika des Stapels 90. Das Glühen entfernt einen Implantatschaden und/oder diffundiert das BE geringfügig und/oder fehlordnet das Material. Be ist nicht das einzige Dotierungsmittel, das für das Implantat 82 verwendet werden kann.
Ein Protonenimplantat 76 kann für den Metallläufer und die Bondkontaktstelle strukturiert werden und das Metall kann unter Verwendung des Abhebens durch Auflösen des Opfermaterials und möglicherweise des Fotoresist strukturiert werden. Unter Verwendung des Metalls als Teilmaske gemeinsam mit Fotoresist kann eine vertikale RIE durch die Struktur durchgeführt werden. Dies ist ein optionaler Schritt für eine erhöhte Wellenleitung. Nach Wunsch kann eine Unterätzung 98 oder 99 entweder trocken oder mit einer Nassätzung durchgeführt werden und kann selektiv sein. Das heißt, es können die Schichten entweder mit hohem oder geringem Aluminiumgehalt oxidiert oder selektiv geätzt werden oder nicht, oder es kann eine Kombination des zuvor genannten durchgeführt werden.
Die Struktur 56 beseitigt parasitäre Ströme, da sie elektrisch und optisch selbstausgerichtet ist, ist klein, hat eine Lichtwellenleitung und hat kontrastreiche Spiegel. Es kann die Umkehr dieser Struktur (n- Typ im oberen Spiegel 68 und der aktiven Region 64 und p am unteren Spiegel 58) hergestellt werden. Der Übergang ist dort, wo das p-Material endet und das n-Material beginnt, oder umgekehrt.
Die vorliegende Vorrichtung verwendet keine Aufhebung der Vorspannung zur Begrenzung des Stroms (d. h. keinen die Vorspannung aufhebenden Strom). Sie ist in allen kritischen Schritten der Herstellung vollständig selbstausgerichtet. Diese Vorrichtung beruht auch nicht auf einer nativen Oxid- oder einer Hohlraumätzung zum Erreichen der Strombegrenzung.
Fig. 8 zeigt einen Bandlücken isolierten VCSEL mit allen Halbleiterspiegeln. Auf dem unteren Spiegel 58 ist eine Minoritätenträgereinfangschicht 62 ausgebildet. Eine aktive Schicht 64 ist auf der Einfangschicht 62 ausgebildet. Eine erste obere Spiegelzüchtung 68 ist auf der aktiven Schicht 64 gebildet. Ein Berylliumimplantat 82 ist den Schichten 68, 64 und einem Teil der Schicht 62 in Form eines Ringes oder einer Umschließung eines mittleren Teiles hinzugefügt, der/die sich an ein rohrförmiges Volumen ohne Implantat 82 anpasst. Die aktive Region 80 befindet sich in diesem Volumen. Eine zweite obere Spiegelzüchtung 102 kann auf der ersten Züchtung 68 gebildet sein. Die Leitungsschicht 72 kann auf der zweiten Züchtung 102 gebildet sein. Eine Kappenschicht 74 kann auf der Leitungsschicht 72 gebildet sein. Zur Isolierung der Vorrichtung kann ein Protonenimplantat 76 hinzugefügt werden, das einen Ring oder ein rohrförmiges Volumen ohne Implantat 76 bildet, das größer als ein solches Volumen ist, das durch das Implantat 82 gebildet wird. Diese Vorrichtung kann ohne die Schichten 102, 72 und 74 gebildet werden.
Die Erfindung kann in verschiedenen Ausführungsformen enthalten sein, die hier als Beispiel angeführt sind. Konfigurationen mit einer beliebigen Anzahl von Spiegeln oder ohne Spiegel können die Erfindung enthalten.

Claims

1. Lichtemittierende Vorrichtung, umfassend:

eine erste Materialregion (64) mit wenigstens einem Abschnitt eines ersten Halbleitermaterials eines ersten Leitfähigkeitstyps und mit einer ersten Energiebandlücke;

eine zweite Materialregion (62) mit einer zweiten Energiebandlücke neben der ersten Materialregion (64); und

ein erste Implantation oder Diffusion von Material (82) des ersten Halbleitermaterials eines ersten Leitfähigkeitstyps, die in einem ersten Abschnitt der zweiten Region (62) angeordnet ist; und wobei:

ein zweiter Abschnitt der zweiten Materialregion (62) aus einem zweiten Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps ist;

der erste Abschnitt der zweiten Region (62) den zweiten Abschnitt der zweiten Region umgibt; und

ein erster Übergang (89) zwischen der ersten Materialregion (64) des ersten Halbleitermaterials eines ersten Leitfähigkeitstyps und dem zweiten Abschnitt der zweiten Materialregion (62) des zweiten Halbleitermaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps besteht;

ein zweiter Übergang (88) zwischen der ersten Implantation oder Diffusion von Material (82) des ersten Halbleitermaterials eines ersten Leitfähigkeitstyps in dem ersten Abschnitt der zweiten Region (62) und dem zweiten Abschnitt der zweiten Materialregion (62) des zweiten Halbleitermaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps besteht;

die zweite Energiebandlücke breiter als die erste Energiebandlücke ist;

eine erste Einschaltspannung für den ersten übergang (89) charakteristisch ist;

eine zweite Einschaltspannung für den zweiten Übergang (88) charakteristisch ist, wobei die zweite Einschaltspannung größer als die erste Einschaltspannung ist;

gekennzeichnet durch eine erste reflektive Region (58) neben der zweiten Region.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

wenn eine Differenzspannung über die erste und zweite Region geringer ist, bedingt die erste Region (64) im Wesentlichen eine Strombegrenzung beim zweiten Abschnitt der zweiten Region (62).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, des Weiteren umfassend eine zweite reflektive Region (68) neben der ersten Region.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, des Weiteren umfassend einen dotierungsdefinierten Lichtwellenleiter (86) durch die erste und die zweite Region.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, des Weiteren umfassend eine Minoritätenträgereinfangstruktur in der zweiten Region (62).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend eine Leitungsregion neben der zweiten reflektiven Region (72).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, des Weiteren umfassend eine dritte reflektive Region neben der Leitungsregion (90).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Leitungsregion (72) mit höherer Dotierung bei elektrischen Feldminima der Vorrichtung und geringerer Dotierung bei elektrischen Feldmaxima geschichtet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Minoritätenträgereinfangstruktur Vertiefungen zur Verringerung der Minoritätenträgerdiffusionslänge aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, des Weiteren umfassend eine Kappenregion (74), die zwischen der Leitungsregion und der dritten reflektiven Region angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die dritte reflektive Region (90) ein dielektrischer Stapelspiegel ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die obere und untere Schicht des dielektrischen Stapelspiegels (90) einen höheren Index der in dem Stapelspiegel verwendeten Materialien hat, um die Absorption in der Kappenregion (74) zu minimieren.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei ein Minimum des elektrischen Feldes, das mit der Dotierung der Leitungsregion (72) in Zusammenhang steht, ebenso an der Kappenregion (74) vorhanden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Strombegrenzung und der Lichtwellenleiter (86) mit dem dielektrischen Stapelspiegel (90) selbstausgerichtet sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, des Weiteren umfassend eine Metallkontaktregion (93), die auf der Kappenregion ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Metallkontaktregion (93) mit der Strombegrenzung selbstausgerichtet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Vorrichtung mit einer zweiten Implantation oder Diffusion (76) isoliert ist, die einen Abschnitt der ersten Implantation oder Diffusion umgibt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Vorrichtung mit einer Ätzung (97) isoliert ist, die einen Abschnitt der Implantation oder Diffusion (82) umgibt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, des Weiteren umfassend eine seitliche Ätzung (98) nahe der ersten Materialregion zur Schaffung eines Linseneffektes.

20. Vorrichtung nach Anspruch 16, des Weiteren umfassend eine seitliche Ätzung (99) nahe der zweiten Materialregion zur Bildung eines Linseneffektes.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) ist.