DE69828712T2 - Bandlückenisolierte lichtemittierende Vorrichtung - Google Patents

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Description

  • STAND DER TECHNIK
  • Diese Erfindung betrifft das Gebiet lichtemittierender Halbleitervorrichtungen, und betrifft insbesondere einen Stromeinschluss innerhalb von Lasern.
  • Der typische Halbleiterlaser ist eine doppelte Heterostruktur mit einer schmalen Bandlücke, einer Schicht mit hohem Brechungsindex, welche auf gegenüberliegenden Hauptoberflächen von Schichten mit breiter Bandlücke und niedrigem Brechungsindex umgeben ist. Die Schicht mit geringer Bandlücke wird als die „aktive Schicht" bezeichnet, und die Unterschiede der Bandlücke und des Brechungsindexes dienen zum Einschließen sowohl von Ladungsträgern als auch von optischer Energie in der aktiven Schicht oder Bereich. Gegenüberliegende Enden der aktiven Schicht weisen Spiegelflächen auf, welche den Laserhohlraum ausbilden. Die Mantelschichten weisen entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen auf, und wenn Strom durch die Struktur passiert, kombinieren Elektronen und Löcher in der aktiven Schicht, um Licht zu erzeugen.
  • Es wurden verschiedene Typen flächenstrahlender Laser entwickelt. Ein vielversprechender derartiger Laser wird als ein „flächenstrahlender Vertikalhohlraumlaser" (VCSEL) bezeichnet. (Man siehe beispielsweise „Surface-emitting microlasers for photonic switching and inter-chip connections," Optical Engineering, 29, Seiten 210 bis 214, März 1990, für eine Beschreibung dieser Laser. Für andere Beispiele beachte man US-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 US-Patent 5,475,701, erteilt am 12. Dezember 1995, von Mary K. Hibbs-Brenner mit dem Titel „Integrated laser power monitor". Man siehe auch „Top-suface-emitting GaAs four-quantum-well lasers emitting at 0.85 μm," Electronics Letters, 26, Seiten 710 bis 711, 24. Mai 1990.) Der beschriebene Laser weist einen aktiven Bereich mit Grundschichten oder einer oder mehrerer Quantenmuldenschichten auf. Die Quantenmuldenschichten überlappen sich mit den Sperrschichten. Auf gegenüberliegenden Seiten des aktiven Bereichs befinden sich Spiegelstapel, welche durch sich überlappende Halbleiterschichten ausgebildet sind, welche derartige Eigenschaften aufweisen, dass jede Schicht typischerweise bei der interessierenden Wellenlänge (im Medium) eine viertel Wellenlänge dick ist, wodurch die Spiegel für den Laserhohlraum ausgebildet werden. Es gibt Bereiche entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auf gegenüberliegenden Seiten des aktiven Bereichs, und der Laser wird ein- und ausgeschaltet durch ein Variieren des Stroms durch den aktiven Bereich. Es ist jedoch ein Verfahren zum digitalen Ein- und Ausschalten des Lasers wünschenswert, welches die Intensität der emittierten Strahlung aus einem flächenstrahlenden Vertikalhohlraumlaser durch eine Spannung bei einem festen Speisestrom variiert. Eine derartige Steuerung ist mit einem dreipoligen, spannungsgesteuerten. VCSEL verfügbar, welcher im US-Patent 5, 056, 098, von Philip J. Anthony et al., erteilt am 8. Oktober 1991, beschrieben ist.
  • Es ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert, flächenstrahlende Vorrichtungen zu verwenden. Beispielsweise können flächenstrahlende Vorrichtungen relativ leicht in Gruppen angefertigt werden, während kantenstrahlende Vorrichtungen nicht genauso leicht in Gruppen angefertigt werden können. Eine Lasergruppe kann angefertigt werden, indem die gewünschten Schichten auf einem Substrat aufgewachsen werden und die Schichten dann gemustert werden, um die Matrix auszubilden. Individuelle Laser können separat mit entsprechenden Kontakten verbunden werden. Derartige Gruppen sind bei derartig verschiedenen Anwendungen, wie beispielsweise bei der bildverarbeitenden Inter-Chip- Kommunikation, d.h. bei optischen Verbindungen und so weiter potenziell verwendbar. Zweitens werden typische kantenstrahlende Laser durch ein Variieren des Stromflusses durch die Vorrichtung ein- und ausgeschaltet. Dies erfordert eine relativ große Änderung des Stroms durch die Vorrichtung, was unerwünscht ist; der nachfolgend beschriebene, flächenstrahlende Laser erfordert einen geringeren Ansteuerungsstrom, und folglich braucht die Stromveränderung zum Umschalten des VCSEL nicht so groß zu sein.
  • Oberflächenstrahlende AlGaAs-basierte VCSELs sind auf eine Weise analog zu integrierten Halbleiterschaltkreisen herstellbar und sind einer Herstellung zu niedrigen Kosten mit hohem Volumen und einer Integration mit vorhandenen Elektrotechnikplattformen zugänglich. Weiterhin wurde die Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit von VCSEL unter Verwendung einer unmodifizierten, im Handel erhältlichen Standard-Epitaxiekammer mit metallorganischer Dampfphase (MOVPE) und einer Molekularstrahlepitaxie (MBE) demonstriert, welche sehr hohe Ausbeuten der Vorrichtung ergibt.
  • In 1 befindet sich ein Diagramm eines zweipoligen VCSEL 10. Auf einem n+ Galliumarsenid-(GaAs)-Substrat 14 ist ein n-leitender Kontakt 12 ausgebildet. Wie angezeigt, ist Substrat 14 mit Fremdstoffen eines ersten Typs (d.h. n-leitend) dotiert. Ein n-leitender Spiegelstapel 16 ist auf dem Substrat 14 ausgebildet. Auf dem Stapel 16 sind Schichten 18 ausgebildet. Die Schichten 18 weisen einen n-leitenden Einschluss oder eine Abstandshalterschicht 20 auf, welche auf dem Stapel 16 ausgebildet ist, wobei ein aktiver Bereich 22 auf der Schicht 20 ausgebildet ist und ein n-leitender Deckeinschluss oder eine Abstandshalterschicht 24 auf dem aktiven Bereich 22 ausgebildet ist. Ein p-leitender Spiegelstapel 26 ist auf der Einschlussdeckschicht 24 ausgebildet. Wie vermerkt, können Einschlussschichten 20 und 24 manchmal als Abstandshalter mit einem aktiven Bereich 22 zwischen ihnen bezeichnet werden. Eine p-leitende Metallschicht 28 ist auf Stapel 26 ausgebildet. Der Emissionsbereich kann eine Passivierungsschicht 30 aufweisen. Der Isolationsbereich 29 begrenzt die Fläche des Stromflusses 27 durch den aktiven Bereich. Der Bereich 29 kann durch tiefe H+-Ionenimplantation oder durch andere bekannte Verfahren ausgebildet werden.
  • Die Schichten 18 können Quantenmulden enthalten, welche zwischen Spiegelstapeln 16 und 26 angeordnet sind. Die Stapel 16 und 26 sind verteilte Bragg-Reflektorstapel. Der aktive Bereich 22 der Quantenmulde weist abwechselnd Schichten aus Aluminiumgalliumarsenid-(AlGaAs)-Sperrschichten und GaAs-Muldenschichten auf. Die Stapel 16 und 26 weisen abwechselnde Schichten aus dotiertem AlGaAs und Aluminiumarsenid (AlAs) auf. Das AlGaAs des Stapels 16 ist mit dem gleichen Fremdstofftyp wie Substrat 14 (z.B. n-leitend) dotiert, und der AlGaAs-Stapel 26 ist mit der anderen Fremdstoffart (d.h. p-leitend) dotiert.
  • Die Kontaktschichten 12 und 28 sind Ohmsche Kontakte, welche eine entsprechende elektrische Vorspannung der Laserdiode 10 gestatten. Wenn der p-n-Übergang des Lasers mit einer höheren positiven Spannung auf Kontakt 28 als auf Kontakt 12 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, fließt ein Strom vom Kontakt 28 aus durch die Stapel zum Kontakt 12, und der aktive Bereich 22 emittiert Licht 32, welches durch den Stapel 26 passiert.
  • Es kann einen sättigungsfähigen Absorber geben, wie beispielsweise Schicht 25, zusammengesetzt beispielsweise aus GaAs, um Licht bei Wellenlängen (λ) kleiner als 870 nm zu absorbieren, oder zusammengesetzt aus InxGa1-xAs-Quantenmulden (wie beispielsweise von 80 Ångström Dicke, wobei x beispielsweise 0,2 sein kann), um Licht bei Wellenlängen kleiner als ein Mikron zu absorbieren. Die Schicht 25 kann von einer Größenordnung λ/4 in der Dicke sein, braucht es jedoch nicht zu sein. Die Schicht 25 kann irgendwo im Stapel der Vorrichtung 10 aufgestellt sein. Stattdessen kann beispielsweise die Schicht 31 der sättigungsfähige Absorber sein. Ein Anordnen des sättigungsfähigen Absorbers an einer Position im Hohlraum innerhalb der Schichten 16 bis 26 wird durch den Einschlussfaktor beeinflusst. Der sättigungsfähige Absorber kann auch innerhalb der Abstandshalterbereiche 20 oder 24 angeordnet werden. Beispielsweise kann eine sättigungsfähige Absorberschicht 25 ein k-ter Abstand von k viertel Wellenlängen vom aktiven Bereich 22 sein.
  • In 2 wird im Gegensatz zum zweipoligen VCSEL der 1 eine dreipolige Version eines flächenstrahlenden Vertikalhohlraumlasers in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die Frequenz der Selbstpulsationen des Lichts 70 des VCSEL 60 kann moduliert werden oder mit einer Treiberleistung mit variierender Amplitude zwischen den Anschlüssen 52 und 50 abgeglichen werden. Ein sättigungsfähiger Absorber kann irgendwo zwischen den Anschlüssen 50 und 52 angeordnet werden. Diese preiswerte Vorrichtung 60 niedriger Leistung weist eine deutliche Bandbreite der Frequenzmodulation auf. Das Anlegen eines Stroms an den Anschlüssen 48 und 50 des VCSEL 60 kann konstant aber abgestimmt sein, um die richtige Mittenfrequenz und/oder Lichtausgabe der Selbstpulsation zu ergeben. Diese Konfiguration würde gegenüber einem zweipoligen, stromgespeisten, frequenzmodulierten VCSEL zu einer minimalen Amplitudenmodulation des Lichts 70 des VCSEL 60 führen. Typischerweise weist die dreipolige Vorrichtung 60 einen festen konstanten Strom zwischen den Anschlüssen 48 und 50 auf, welcher zu einer bestimmten Spannungs-Strom-(VI)-Kurve (in Sperr- oder in Durchlassrichtung vorgespannt) führt, welche zwischen diesen Anschlüssen anliegt.
  • Wie Durchschnittsfachleute anerkennen, sind manche Elemente, welche für ein Verständnis der Erfindung nicht unerlässlich sind, entweder nicht dargestellt oder nicht in Einzelheiten beschrieben. Beispielsweise wird in 2 nur ein einzelner Laser illustriert, obwohl unmittelbar angemerkt wird, dass typischerweise eine Gruppe von Lasern vorliegen kann. Gezeigt werden Substrat 34, Bereiche 36 und 46 mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, aktiver Bereich 38, Bereiche 40 und 42 mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp, wobei ein sättigungsfähiger Absorptionsbereich 44, abhängig von der Bauart und den Betriebsbedingungen, entweder den einen oder den anderen Leitfähigkeitstyp aufweist. Im Allgemeinen ist die erste Leitfähigkeit eine n-Leitung und die zweite eine p-Leitung. Der Bereich 44 kann jede Anzahl von Vollmaterialien oder eine oder mehrere Quantenmulden umfassen, welche normalerweise bei der Laserwellenlänge absorbieren. Die Bereiche 36, 40, 42 und 46 umfassen Spiegel, welche als Interferenzspiegel dargestellt sind. Der Bereich 36 umfasst einen ersten Spiegel. Aus Gründen der Deutlichkeit werden nur einige Schichten gezeigt. Geeignete Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeitstypen werden von Fachleuten unmittelbar ausgewählt. Die Bereiche 40, 42, 44 und 46 bilden einen zweiten verteilten Spiegel mit einem Hohlraum Q und folglich mit einer Schwingungsfrequenz, welche über die Leistung steuerbar ist, welche an den sättigungsfähigen Absorber durch Kontakte 50 und 52 angelegt wird. Der aktive Bereich umfasst typischerweise einen oder mehrere Quantenmuldenbereiche, welche Sperrschichten, d.h. Schichten mit einer größeren Bandlücke als die Bandlücke des Quantenmuldenbereichs, überlappen. Die Verwendung von Volumenhalbleitern stattdessen ist jedoch nicht ausgeschlossen. Es gibt erste, zweite und dritte elektrische Kontakte 48, 50 und 52 an Bereich 36, Bereich 40 bzw. Schicht 46. Der Kontakt 48 kann physikalisch am Substrat 34 gefertigt werden, wenn das Substrat leitend und nicht halbisolierend ist. Der Isolationsbereich, die Modussteuerung oder der Stromeinschluss 54 begrenzen die Fläche des Stromflusses durch den aktiven Bereich im Allgemeinen auf die Fläche unter dem Bereich 46. Der Isolationsbereich 54 kann z.B. durch tiefe Ionenimplantation ausgebildet werden. Es können andere Formen des Strom- und optischen Einschlusses verwendet werden. Die Abschnitte der Bereiche 36 und 40 mit ersten und zweiten Leitfähigkeitstypen bilden Mittel zum Einspeisen von Trägern in den aktiven Bereich aus. Der erste und der zweite Interferenzspiegel umfassen weiterhin mehrere sich überlappende erste und zweite Halbleiterschichten, wobei jede Schicht derartige Eigenschaften aufweist, dass sie bei der mittleren interessierenden Wellenlänge typischerweise eine viertel Wellenlänge dick ist, wodurch der jeweilige Interferenzspiegel ausgebildet wird. Die individuellen Schichten des aktiven Bereichs und die Interferenzspiegel werden nicht ausdrücklich beschrieben, da Durchschnittsfachleute die Struktur dieser Elemente kennen.
  • Das Substrat 34 ist leitendes oder halbisolierendes GaAs, und die Bereiche 36, 40, 42 und 46 umfassen beispielsweise abwechselnde Schichten aus AlAs und AlGaAs mit Eigenschaften, wie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben. Der aktive Bereich kann eine oder mehrere GaAs-(oder z.B. InxGa1-xAs-)-Quantenmulden umfassen, welche sich mit AlGaAs-Sperrschichten überlappen. Ein sättigungsfähiger Absorptionsbereich 44 (SA) ist optisch mit Bereich 40 verbunden, d.h. die Absorption aufgrund des SA liegt innerhalb des verteilten Spiegels, welcher die Bereiche 40, 42, 44 und 46 einbezieht. Bereich 46 umfasst Interferenzspiegelschichten z.B. aus AlAs und AlGaAs und weist einen ersten Leitfähigkeitstyp auf. Durchschnittsfachleute werden unmittelbar geeignete Schichtdicken auswählen, und diese Parameter brauchen nicht in Einzelheiten beschrieben werden. Die Verwendung anderer Halbleiter wird in Betracht gezogen, und Durchschnittsfachleute werden unmittelbar eine geeignete Auswahl treffen. Beispielsweise können andere Halbleiter der Gruppe III bis IV verwendet werden.
  • Herkömmliche und wohlbekannte epitaxiale Aufwachsverfahren, wie beispielsweise Molekularstrahlepitaxie oder metallorganische, chemische Dampfablagerung, können verwendet werden, um die beschriebenen Schichten aufzuwachsen. Nachdem die Schichten aufgewachsen wurden, werden dann herkömmliche Musterverfahren verwendet, um die individuellen Laser in der Gruppe auszubilden. Es werden auch elektrische Kontakte an den individuellen Lasern angefertigt. Durchschnittsfachleute werden unmittelbar geeignete Muster- und Kontaktierungsverfahren auswählen.
  • Die Schwingungsfrequenz des selbstpulsierenden Lichts, welches aus der Vorrichtung emittiert wird, kann durch ein Steuern der Eigenschaften des SA-Bereichs innerhalb der VCSEL-Struktur variiert werden. Eine Ausführungsform kann eine Strom- oder Spannungsveränderung des Voll- oder Quantenmuldenmaterials verwenden, wie beispielsweise der Stark-Effekt eingeschlossener Quanten in Quantenmulden. Dieser Effekt ist Durchschnittsfachleuten wohlbekannt und von ihnen verstanden; der Effekt wird 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, Seiten 339 bis 347, (Academic Press 1988) beschrieben. Im Grunde hängt die Absorption von der Größenordnung des elektrischen Felds in der Quantenmulde ab.
  • Ein flächenstrahlender Vertikalhohlraumlaser braucht zum Emittieren von Laserlicht in beiden Spiegelstapeln relativ große Reflexionsfähigkeiten; typischerweise sollten die Reflexionsfähigkeiten der Spiegelstapel 99 Prozent oder mehr betragen. Der SA-Bereich fungiert als ein von der Vorspannung abhängiger Absorber, wobei durch ein entsprechendes Variieren der Vorspannung die Laserpulsation bei unterschiedlichen Raten frequenzmoduliert werden kann. Eine kleine Spannungs- oder Stromänderung kann verwendet werden, um die Absorption oder die Trägerdichte der SA und folglich die Frequenz der VCSEL-Selbstpulsation zu variieren. Die Größenordnung des Stroms, welcher über die Kontakte 48 und 50 der Vorrichtung 60 der 2 geliefert wird, kann beim Modulieren des Lasers im Wesentlichen konstant bleiben. Dies vereinfacht die Bauart der Stromversorgung (nicht gezeigt) für die Gruppe und minimiert alle Probleme, welche andernfalls aufgrund der variierenden Wärme auftauchen könnten, welche in der Gruppe der Vertikalhohlraumlaser aufgrund des Variierens der Trägerdichte im aktiven Bereich und aufgrund der resultierenden Brechzahlveränderungen im optischen Hohlraum erzeugt wird.
  • In 2 stellt der Anschluss 50 den (gewöhnlich p-leitenden) Deckkontakt dar, und der Anschluss 48 stellt den Bodenkontakt (gewöhnlich n-leitend) dar. Der Bodenkontakt kann eine üblich Metallisierung auf dem Boden sein, wie der Kontakt 12, wie in 1 gezeigt. Der Kontakt 52 stellt eine dritte Verbindung dar, welche verwendet werden kann, um die sättigungsfähige Absorberschicht, welche durch Schicht 44 schematisch illustriert wird, entweder in Sperrrichtung vorzuspannen oder in Durchlassrichtung vorzuspannen.
  • Das Licht der Vorrichtung kann entweder durch das Substrat an einem Ende oder durch den Deckspiegel am anderen Ende emittiert werden. Es versteht sich auch, dass der Begriff „vertikal" in der Bedeutung senkrecht zu den Hauptoberflächen des Substrats verwendet wird. Das Mittel zum Einspeisen von Leistung kann einen ersten und einen zweiten Leitfähigkeitstyp auf gegenüberliegenden Seiten des aktiven Bereichs, entweder entlang der Achse, welche vom ersten Spiegel, vom aktiven Bereich und vom zweiten Spiegel gebildet wird, oder entlang irgendeiner anderen Achse, aufweisen.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine lichtemittierende Vorrichtung bereit, wie in Anspruch 1 definiert.
  • Die Vorrichtung kann die Merkmale eines oder mehrerer der abhängigen Patentansprüche 2 bis 10 umfassen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Darstellung eines planaren, stromgeführten, oberflächenstrahlenden Vertikalhohlraum-GaAs/AlGaAs-Lasers.
  • 2 ist ein Querschnitt eines dreipoligen, frequenzmodulierten VCSEL.
  • 3, 4 und 5 sind Ausführungsformen der Erfindung.
  • 6 lässt die Struktur des Aluminium-Gehalts in der Elektroneneinfangstruktur eines Abstandshalterbereichs einer lichtemittierenden Vorrichtung erkennen.
  • 7 illustriert den absoluten Wert des optischen elektrischen Felds in einer Leitungsschicht einer lichtemittierenden Vorrichtung.
  • 8 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGFORMEN
  • Eine lichtemittierende Struktur 56, welche die vorliegende Erfindung einbezieht, wird in 3 gezeigt. Die Schichten 58 bilden einen unteren n-leitenden Halbleiterspiegel. Auf dem unteren Halbleiterspiegel ist eine Elektroneneinfangschicht 62 mit hohem Al-Gehalt ausgebildet. Auf der Einfangschicht 62 sind n- oder p-leitende, typischerweise p-leitende, aktive Schichten 64 und 66 ausgebildet. Auf einem oberen Abstandshalter ist ein p-leitender oberer Halbleiterspiegel 68 ausgebildet. Es können Kohlenstoff und Silizium als p- bzw. n-leitende Dotierungsmaterialien in der auf GaAs basierenden Struktur verwendet werden. Eine Leitungsschicht 72 ist auf dem oberen Halbleiterspiegel 68 ausgebildet. Auf der Leitungsschicht 72 ist eine Kappe 74 ausgebildet. Die Leitungsschicht 72 verteilt den Strom und stellt einen niedrigen Widerstand bereit. Im Schichtträger 78 ist ein Protonenimplantat 76 ausgebildet. Das Implantat 76 stellt ein Widerstandsprofil bereit, welches durch einen durch ein Bombardement mit Ionen hervorgerufenen Kristallschaden aufgrund der Ionenimplantation 76 erzeugt wird. Diese Ionenimplantation isoliert die Vorrichtungen und reduziert eine Kapazität. Eine Ionenimplantation 76 wird gewählt, um aus der Oberfläche, zumindest durch den aktiven Bereich, zu einem halbisolierenden Material zu gelangen. Ein Vorspannungsstrom wird in die Deckelektrode eingeführt und passiert durch den aktiven Verstärkungsbereich. Durch das Ionen-Bombardement 76 wird nur eine Steigerung des Widerstands verwirklicht. Das Implantat 76 führt zu einem gemeinsamen Abschnitt, welcher im Querschnitt im Allgemeinen radialsymmetrisch mit einem Innendurchmesser 84 ist und physikalisch primär in Bezug auf den Schaden definiert ist, welcher durch die Verwendung des Fotolackbereichs auf die Bereiche außerhalb des säulenförmigen Abschnitts begrenzt ist. Es gibt einen aktiven Verstärkungsbereich 80, welcher hauptsächlich in der aktiven Schicht 64 angeordnet ist.
  • Auf dem Schichtträger 78 wird eine andere Diffusion oder ein anderes Implantat 82 eingeführt. Die Ionen sind die des Berylliums (Be). Das Implantat 82 bildet eine Säule oder einen Abschnitt 86 aus, welcher radialsymmetrisch mit einem Innendurchmesser 86 ist. Im Gegensatz dazu bildet das Implantat 76 einen isolierenden Bereich außerhalb der Abmessung 84, welcher eine parasitäre Kapazität reduziert und die Vorrichtung von anderen isoliert. Das Implantat 76 weist keine Stromeinschlusszwecke auf. Das Implantat 82 drängt den p-n-Übergang die Struktur hinunter in den Bereich 62 an Orte 88, indem es n-leitend dotiertes Material zu p-leitend dotiertem Material verkehrt. Dieser p-n-Übergang wird mit der p-leitenden Be-Dotierung aus dem implantierten Bereich in ein Material mit breiterer Energielücke gedrückt. Der aktive Bereich weist einen p-n-Übergang in einem Material mit schmaler Bandlücke auf, was dazu führt, dass die Einschaltspannung des Peripheriematerials höher ist, als die Einschaltspannung in der Mitte des Lasers. Bei Normalbetrieb fließt, wenn überhaupt, am p-n-Übergang mit der breiten Lücke ein sehr kleiner Strom. Der meiste und einzige deutliche Stromfluss befindet sich im aktiven Bereich mit der schmalen Lücke wegen der geringeren Einschaltübergangsspannung aufgrund des p-n-Übergangs, welcher sich im Material mit der schmalen Lücke, falls vorhanden, an oder nahe an den Quantenmulden befindet.
  • Oben auf dem Schichtträger 78 über dem Lichtwellenleiter der Abmessung 86 ist ein dielektrischer Stapelspiegel 90 ausgebildet. Der Spiegel 90 weist abwechselnde Schichten aus TiO2 und SiO2 auf. Es befindet sich Schutz-Wolfram 92 oben auf dem dielektrischen Stapelspiegel, welcher auf einer Oberfläche des Schichtträgers 78 ausgebildet ist, es befindet sich aber nicht auf dem selbstausgerichteten Metall 91 auf der linken und nicht auf dem selbstausgerichteten Metall 93 auf der rechten Seite des Stapels 90 in 3. Auch auf dem Schichtträger 78 ist Fotoresistmaterial 95 zum Lift-off ausgebildet.
  • Statt einer Verwendung eines Protonenimplantats zum Isolieren der Struktur, kann eine Ätzung verwendet werden, um sie zu isolieren. Die Ätzung 97 ist bloß eine direkte Abwärtsätzung hinunter in den unteren Spiegel 58 der 4. Wenn diese Ätzung verwendet wird, dann kann eine zusätzliche laterale Interoxidation 98 oder 99 verwendet werden, wie in 5 gezeigt. Die laterale Ätzung oder Oxidation erzeugt eine Linsenwirkung auf das Licht. Die laterale Ätzung/Oxidation 98 wird auf dem unteren Teil des oberen Abstandshalters 66 eingeführt und die Oxidation 99 wird in einer Deckschicht des Spiegels 58 eingeführt.
  • Die optimale Vorrichtung sollte keine parasitären Randströme aufweisen, sie sollte Brechzahl-geführt sein, sie sollte Spiegel mit hohem Kontrast aufweisen, und sie sollte selbstausgerichtet sein, um herstellbar zu sein. Die optimale Vorrichtung in jeder Implementierung, wie beispielsweise in 3, ordnet einen Halbleiterübergang 88 mit hoher Schwellenspannung oder breiter Bandlücke vom aktiven Bereich 80 oder Übergang 89 entfernt an. Dies steigert die Spannung in Durchlassrichtung des Übergangs 88 und führt zu einem Stromeinschluss, um die Einschaltspannung innerhalb des aktiven Bereichs 80 am Übergang 89 im Halbleitermaterial mit der schmalen Bandlücke zu vermindern. Die vorliegende Vorrichtung 56 verwendet eine Be-Position des p-n-Übergangs 88 im Material mit breiter Lücke oder in der Elektroneneinfangschicht 62 mit hohem Aluminium-Gehalt, deren Zusammensetzung eine Einfangstruktur für Minoritätsträger erzeugt. Die Schicht 62 fungiert auch als ein Abstandshalter, welcher zusammen mit dem Abstandshalter 66 eine richtige Resonanzhohlraumlänge 100 zwischen den Spiegeln 58 und 68 bereitstellt. Die Anfangs- (Boden-) und End- (Deck-) Schichten des dielektrischen Stapelspiegels 90 weisen die Schichtmaterialien im Stapel 90 mit der höheren Brechzahl auf (z.B. TiO2 höher als SiO2). Dies resultiert aus der Anforderung, eine Absorption in der Kappenschicht 74 zu minimieren. Die Leitungsschicht 72 weist ein optional geschichtetes Dotierungsschema auf, so dass die Scheitelwerte des elektrischen Felds dort auftreten, wo es eine relativ geringe Dotierung gibt, und die Minima des elektrischen Felds bei maximaler Dotierung auftreten. Ein Minimum des elektrischen Felds liegt auch an der Kappenschicht 74. Die Metallkontakte 91 oder 93 können selbstausgerichtet sein oder nicht.
  • Zurück zu 3 weist die Struktur 56 ein selbstausgerichtetes Metall 93 und ein Protonenimplantat 76 zur Isolation auf. Das Metall 91 ist nicht selbstausgerichtet. Das Protonenimplantat 76 ist nicht der einzige Weg, die Struktur 56 zu isolieren. Die untere Abstandshalterschicht 62 stellt eine ausreichende Tiefe des Be-Implantats 82 bereit. Das bedeutet, dass es für einen p-n-Übergang 88, welcher aus dem Be-Implantat 82 resultiert, wichtig ist, sich im Bereich des unteren Abstandshalters zu befinden und den Abstandshalter 62 zu vergrößern, indem er die erste Halbperiode des unteren Spiegels 58 in sich miteinbezieht, was eine größere Prozesstoleranz ergibt. Ein oberer Abstandshalter 66 ist zwischen dem aktiven Bereich 64 und dem oberen Spiegel 68 angeordnet.
  • Die Ätzung 97 isoliert die Vorrichtung in 4. Mit der Ätzung 97 kann in 5 eine zusätzliche laterale Ätzung oder Oxidation 98 oder 99 verwendet werden. Die lateralen Ätzungen/Oxidationen 98 und 99 sind alternative Ansätze für ein Erzeugen einer Linsenwirkung und einer Laser-Modussteuerung.
  • Ein Merkmal der Erfindung ist die Anordnung des Be-Implantats 82, welche zu einem p-n-Übergang 88 mit einer höheren Übergangsspannung im Material mit der breiten Lücke führt. Der Strom wird dann in der Mitte des aktiven Bereichs 80 eingeschlossen, wo der Mangel an Be-Implantat 82 zum p-n-Übergang führt, welcher eine niedrigere verbleibende Übergangsspannung im Material mit der schmalen Lücke aufweist. Folglich führt eine gegebene Spannung, welche über den Übergang hinweg angelegt wird und welche die niedrigere Übergangsspannung überschreitet, aber geringer als die höhere Übergangsspannung ist, zu einem Stromfluss nur über den p-n-Übergang im Material mit der schmalen Lücke hinweg, wodurch ein Strom resultiert, welcher innerhalb der Mitte der Struktur und innerhalb der Peripherie des Be-Implantats 82 eingeschlossen ist. Das Implantat 82 reduziert die parasitären Ströme und stellt einen Lichtwellenleiter 86 bereit. Das Implantat 82 ist zum dielektrischen Stapelspiegel 90 selbstausgerichtet, so dass ein kontinuierlicher Lichtwellenleiter erzielt wird und der Leiter 86 zum aktiven Bereich 80 selbstausgerichtet ist, welcher den eingeschlossenen Stromfluss und die Quantenmulden innerhalb des inneren Umkreises des Be-Implantats 82 aufweist.
  • Die Elektronen-Einfangstruktur des unteren Abstandshalterbereichs 62 wird durch ein Variieren des Aluminium-Gehalts in einer Reihe von Mulden 101 erzielt, wie in 6 gezeigt. Bei der vorliegenden Bauart gibt es sieben Änderungen unterschiedlicher Aluminium-Gehalte, um derartige Mulden 101 zu erzeugen. Berechnungen zeigen, dass 85 bis 95 Prozent oder ein Delta von 5 bis 15 Prozent Variation des Aluminium-Gehalts des AlAs ausreichend ist. Eine Mulde kann ebenfalls ausreichend sein. Die Mulden im unteren Abstandshalter werden verwendet, um die Diffusionslänge der Minoritätsträger zu vermindern.
  • Der Halbleiterdeckspiegel 68 kann als optional angesehen werden. Er stellt eine zusätzliche Zuverlässigkeit bereit. Die maximale Dicke des Deckspiegels 68 ist durch die Tiefe begrenzt, welche ein Be-Implantat/eine Be-Diffusion 82 erreichen kann. Dieser Spiegel gestattet auch eine stärkere Dotierung in der Leitungsschicht 72, indem er das meiste Licht reflektiert, bevor es die hohe Absorption freier Träger der Leitungsschicht 72 erreicht. Die Kappenschicht 74, welche oben auf der Leitungsschicht 72 liegt, ist reines GaAs mit einer sehr starken Dotierung für einen elektrischen Kontakt. 7 lässt das elektrische Feld versus die Position in der Leitungsschicht 72 und der Kappenschicht 74 erkennen.
  • Um Vorrichtung 56 anzufertigen, werden ein unterer n-leitender Spiegel 58 zusammen mit einem aktiven Bereich 64 und einem reduzierten oberen Spiegel 68 aufgewachsen. Der reduzierte obere Spiegel 68 kann in einer dünnen Kontaktschicht enden. Der aufgewachsene p-n-Übergang 88 kann sehr nahe an den Quantenmulden im Material mit der breiteren Lücke oder sogar im Quantenmuldenbereich 64 liegen. Die dielektrischen Spiegelschichten 90 mit hohem Kontrast werden mit einer Schutzschicht 92 darauf abgelagert. Der dielektrische Spiegelstapel 90 wird gemustert und als eine Maske des Be-Implantats 82 verwendet. Falls nötig, wird für das Implantat ein Resist auf dem Stapel 90 zurückgelassen. Das Be muss weiter durch den aktiven Bereich 64 in den Abstandshalter 62 gehen, jedoch vor den Schichten des Spiegels 58 aus dem Material mit kleiner Lücke deutlich stoppen. Das Implantat 82 erreicht wegen der Maskierung mit einer Schutzschicht 92 auf dem dielektrischen Stapel 90 die Mitte des aktiven Bereichs 80 nicht. Die Ätzung des dielektrischen Stapels 90 kann eine negative Steigung aufweisen, um ein Lift-off der Schicht 93 zu verbessern.
  • Das Be-Implantat 82 wird ausgeheilt. Dies legt dem Schutzmaterial 92 und den Dielektrika des Stapels 90 Einschränkungen auf. Das Ausheilen entfernt einen Implantatschaden und/oder diffundiert das Be leicht und/oder bringt das Material in Unordnung. Be ist nicht das einzige Dotierungsmittel, welches für ein Implantat 82 verwendet werden kann.
  • Man kann für ein Protonenimplantat 76 für die Metallrinne und das Bondpad und das Mustermetall unter Verwendung eines Lift-offs durch Auflösen des Schutzmaterials und vielleicht des Fotoresists mustern. Unter Verwendung des Metalls als eine Teilmaske zusammen mit Fotoresist kann man ein vertikales RIE durch die Struktur durchführen. Dies ist ein optionaler Schritt für erhöhte optische Wellenleitung. Falls gewünscht, kann ein Unterschnitt 98 oder 99 entweder trocken oder mit einer Nassätzung durchgeführt werden und kann selektiv sein. Das bedeutet, dass entweder die Schichten mit dem hohen oder mit dem niedrigen Aluminium-Gehalt oxidiert oder selektiv oder nicht geätzt werden können oder irgendeine Kombination davon durchgeführt werden kann.
  • Die Struktur 56 eliminiert parasitäre Ströme, weil sie elektrisch und optisch selbstausgerichtet ist, klein ist, optische Wellenleitung aufweist und Spiegel mit hohem Kontrast aufweist. Die Umkehrung dieser Struktur (n-Leitung im Deckspiegel 68 und im aktiven Bereich 64 und p-Leitung auf dem Bodenspiegel 58) kann angefertigt werden. Der Übergang ist dort, wo das p-leitende Material endet und das n-leitende Material beginnt, oder vice versa.
  • Die vorliegende Vorrichtung verwendet kein Entvorspannen, um den Strom einzuschließen (d.h. keinen Entvorspannungsstrom.). Sie ist bei allen kritischen Herstellungsschritten vollständig selbstausgerichtet. Diese Vorrichtung ist zudem weder auf ein Eigenoxid noch auf eine Hohlraumätzung angewiesen, um den Stromeinschluss zu erhalten.
  • 8 lässt einen bandlückenisolierten VCSEL mit allen Halbleiterspiegeln erkennen. Der untere Spiegel 58 weist eine Einfangschicht 62 für Minoritätsträger darauf ausgebildet auf. Eine aktive Schicht 64 ist auf der Einfangschicht 62 ausgebildet. Ein erstes Aufwachsen eines oberen Spiegels 68 ist auf der aktiven Schicht 64 ausgebildet. Ein Beryllium-Implantat 82 wird zu den Schichten 68, 64 und zu einem Teil zur Schicht 62 in der Form eines Rings oder einer Hülle um einen mittleren Teil hinzugefügt, welcher ein röhrenförmiges Volumen ohne Implantat 82 einschließt. Der aktive Bereich 80 ist in diesem Volumen angeordnet. Ein zweites Aufwachsen eines oberen Spiegels 102 kann auf der ersten Aufwachsung 68 ausgebildet werden. Eine Leitungsschicht 72 kann auf der zweiten Aufwachsung 102 ausgebildet werden. Eine Kappenschicht 74 kann auf der Leitungsschicht 72 ausgebildet werden. Für eine Isolation der Vorrichtung kann ein Protonenimplantat 76 hinzugefügt werden, welches ein ring- oder röhrenförmiges Volumen ohne Implantat 76 ausbildet, welches größer ist als ein derartiges Volumen, welches durch das Implantat 82 gebildet wird. Diese Vorrichtung kann ohne die Schichten 102, 72 und 74 konstruiert werden.
  • Diese Erfindung kann in verschiedene Ausführungsformen einbezogen werden, welche hier beispielhaft vorgestellt wurden. Konfigurationen mit einer beliebigen Anzahl von Spiegeln oder gar keinen Spiegeln können die Erfindung einbeziehen.

Claims (10)

  1. Lichtemittierende Vorrichtung, umfassend: eine erste Materialregion (64) mit mindestens einem Abschnitt eines ersten Halbleitermaterials eines ersten Leitfähigkeitstyps und mit einer ersten Energiebandlücke; eine zweite Materialregion (62) mit einer zweiten Energiebandlücke benachbart zur ersten Materialregion; eine erste Implantation oder Materialdiffusion (82) des ersten Halbleitermaterials des ersten Leitfähigkeitstyps, welche sich in einem ersten Abschnitt der zweiten Materialregion befindet; wobei: ein zweiter Abschnitt der zweiten Materialregion aus einem zweiten Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps ist; ein erster Übergang (89) aus der ersten Materialregion des ersten Halbleitermaterials des ersten Leitfähigkeitstyps und aus dem zweiten Abschnitt der ersten oder zweiten Materialregion des zweiten Halbleitermaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps ist; ein zweiter Übergang (88) aus der ersten Implantation oder Materialdiffusion des ersten Halbleitermaterials des ersten Leitfähigkeitstyps im ersten Abschnitt der zweiten Materialregion und aus dem zweiten Abschnitt der zweiten Materialregion des zweiten Halbleitermaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps ist; und die zweite Energiebandlücke breiter als die erste Energiebandlücke ist; gekennzeichnet durch: eine Spiegelregion (68) benachbart zur ersten Materialregion; und eine Leitungsregion (72), welche benachbart zur Spiegelregion und mit stärkerer Dotierung bei Minima eines elektrischen Felds der Vorrichtung und mit schwächerer Dotierung bei Maxima eines elektrischen Felds der Vorrichtung ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend eine Minoritätsträger-Einfangstruktur in der zweiten Region (62) mit Wannen zum Senken einer Minoritätsträger-Diffusionslänge.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, weiterhin umfassend eine Deckregion (74), welche sich zwischen der Leitungsregion (72) und einer dritten Spiegelregion (90) befindet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die dritte Spiegelregion (90) ein dielektrischer Stapelspiegel ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die oberste und die unterste Schicht des dielektrischen Stapelspiegels (90) eine höhere Brechzahl der Materialien aufweist als derjenigen, welche im dielektrischen Stapelspiegel verwendet sind, um eine Absorption in der Deckregion (74) zu minimieren.
  6. Vorrichtung- nach Anspruch 5, wobei ein Minimum des elektrischen Felds, welches dem Dotieren der Leitungs region (72) zugeordnet ist, auch an der Deckregion (74) ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Strombegrenzung und ein optischer Wellenleiter mit dem dielektrischen Stapelspiegel (90) selbstjustierend sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, weiterhin umfassend eine Metallkontaktregion (93), welche auf der Deckregion (74) ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Metallkontaktregion (93) mit der Strombegrenzung selbstjustierend ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung mit einer zweiten Implantation oder Diffusion (76) isoliert ist, welche einen Abschnitt der ersten Implantation oder Diffusion umgibt.
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