DE69838308T2 - Langwelliger VCSEL - Google Patents

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Description

  • Bereich der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSELs) und spezieller oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum zum Emittieren langwelligen Lichts.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSELs) umfassen einen ersten verteilten Bragg-Reflektor (DBR), auch bezeichnet als Spiegelstapel, der auf einem Substrat mittels Halbleiterherstellungstechniken ausgebildet ist, einen aktiven Bereich, der auf dem ersten Spiegelstapel ausgebildet ist, sowie einen zweiten Spiegelstapel, der auf dem aktiven Bereich ausgebildet ist. Der VCSEL wird von einem Strom angetrieben, der durch den aktiven Bereich gezwungen wird, was typischerweise durch Vorsehen eines ersten Kontakts auf der Rückseite des Substrats und eines zweiten Kontakts oben auf dem zweiten Spiegelstapel gelingt.
  • Die Verwendung von Spiegelstapeln in VCSELs ist im Stand der Technik wohl bekannt. Typischerweise sind Spiegelstapel aus mehreren Paaren von Schichten gebildet, die oftmals als Spiegelpaare bezeichnet werden. Die Paare von Schichten sind aus einem Materialsystem gebildet, das im Allgemeinen aus zwei Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex besteht und hinsichtlich der Gitterstruktur leicht an die anderen Abschnitte des VCSELs angepasst werden kann. Ein VCSEL auf der Basis von GaAs verwendet beispielsweise typischerweise ein AlAs/GaAs- oder AlGaAs/AlAs-Materialsystem, wobei der unterschiedliche Brechungsindex einer jeden Schicht eines Paares dadurch erreicht wird, dass der Aluminiumgehalt in den Schichten verändert wird. In konventionellen Vorrichtungen kann die Anzahl von Spiegelpaaren pro Stapel zwischen 20 und 40 liegen, um hohe Prozentzahlen der Reflexion zu erreichen, abhängig vom Unterschied zwischen den Brechungsindizes der Schichten. Die große Anzahl von Paaren erhöht den Prozentsatz reflektierten Lichts.
  • Bei konventionellen VCSELs bringen konventionelle Materialsysteme eine ordentliche Leis tung. Es werden jedoch neue Produkte entwickelt, die VCSELs benötigen, welche langwelliges Licht emittieren. VCSELs, die langwelliges Licht emittieren, sind in der optischen Telekommunikationsindustrie von großem Interesse. Diese langen Wellenlängen können erreicht werden, indem ein VCSEL mit einem aktiven InGaAsP/InP- oder InGaAlAs/InP-Bereich verwendet wird. Wenn solche aktiven Bereiche verwendet werden, muss ein InP/InGaAsP-Materialsystem für die Spiegelstapel verwendet werden, wobei alle vom Gitter her an das InP-Substrat angepasst sind. In diesem System ist es jedoch praktisch unmöglich, vernünftige Spiegel auf der Basis von DBR zu erhalten, da der Unterschied in den Brechungsindizes in diesem Materialsystem nicht signifikant ist. Es wurden viele Versuche unternommen, um dieses Problem anzugehen, einschließlich einer Wafer-Bonding-Technik, bei der ein DBR-Spiegel auf einem gesonderten Substrat gezüchtet und mit dem aktiven Bereich verbunden wird. Diese Technik hatte lediglich eingeschränkten Erfolg und die Schnittstellenfehlerdichte beim Waferverschmelzungs-Verfahren verursacht mögliche Zuverlässigkeitsprobleme.
  • Die Verwendung von VCSELs mit aktiven InGaAsP/InP-Bereichen wird außerdem von K. Iga in "Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum auf der Basis von InP und ähnlichen Verbindungen – Flaschenhals und Korkenzieher –" in der Zusammenfassung zur internationalen Konferenz über Indiumphosphid und ähnliche Verbindungen (IRPM), USA, New York, IEEE, Vol. Konf. 8, 1996, Seiten 715-718, ISBN: 0-7803-3284-9, diskutiert.
  • Die Verwendung von GaTlP, das von der Gitterstruktur an GaAs angepasst ist, um Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1,24 μm zu erzeugen, wird von H. Asahi et al. in "Neue Halbleiter mit TlInGaP und ihr MBE-Gaswachstum" in der Zusammenfassung zur internationalen Konferenz über Strahlungsepitaxie, Teil 2; Malibu, CA, USA; 5.-9. August 1996, diskutiert. Dieser Artikel kann auch im Journal über Kristallwachstum, NL, North-Holland Publishing Co., Amsterdam, Vol. 175-176, 1. Mai 1997, Seiten 1195-1199, ISSN: 0022-0248 gefunden werden.
  • Es wäre daher sehr vorteilhaft, die zuvor erwähnten und andere Nachteile, die dem Stand der Technik innewohnen, zu beseitigen.
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten langwelligen VCSEL zu schaffen.
  • Eine andere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen verlässlichen langwelligen VCSEL zu schaffen.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen neuen und verbesserten aktiven Bereich zur Verwendung in einem VCSEL zu schaffen.
  • Noch eine weitere Aufgabe der unmittelbaren Erfindung liegt darin, einen effizienten aktiven Bereich und Spiegelstapel zur Verwendung in einem langwelligen VCSEL zu schaffen.
  • Eine noch andere Aufgabe der Erfindung liegt darin, die Komplexität der Herstellung eines langwelligen VCSELs zu reduzieren.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen aktiven Bereich zu schaffen, der langwelliges Licht emittiert, sowie einen Spiegelstapel, der in Bezug auf die Gitterstruktur hieran angepasst werden kann.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Kurz gesagt wird, um die gewünschten Aufgaben der vorliegenden Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zu lösen, ein VCSEL zum Emittieren langwelligen Lichts geschaffen. Der VCSEL umfasst einen ersten Spiegelstapel, einen aktiven GaTlP-Bereich mit wenigstens einem Quantenschacht, wobei der aktive Bereich auf dem ersten Spiegelstapel angeordnet ist, sowie einen zweiten Spiegelstapel, der auf dem aktiven Bereich angeordnet ist, wobei der erste und zweite Spiegelstapel und der aktive GaTlP-Bereich zusammenwirken, um Licht einer Wellenlänge im Bereich von 1,3 μm bis 1,55 μm zu emittieren.
  • Vorzugsweise ist der Quantenschacht mit einer direkten Energiebandlücke in einem Bereich von 0,95 bis 0,8 eV ausgestattet und umfasst GaxTl1-xP.
  • Ebenfalls geliefert wird ein Verfahren zum Herstellen eines VCSELs zum Emittieren langwelligen Lichts einer Wellenlänge im Bereich von 1,3 μm bis 1,55 μm. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats mit einer Oberfläche, das Epitaxie-Züchten eines ersten Spiegelstapels auf der Oberfläche, das Epitaxie-Züchten eines aktiven GaTlP- Bereichs mit wenigstens einem Quantenschacht auf dem ersten Spiegelstapel und das Epitaxie-Züchten eines zweiten Spiegelstapels auf dem aktiven Bereich.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die zuvor beschriebenen und weitere speziellere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einem Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den Zeichnungen auf einfache Weise ersichtlich.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines VCSELs gemäß der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 ist eine graphische Darstellung der direkten Energiebandlücke gegenüber der Gitterkonstante und der entsprechenden Wellenlänge im aktiven Bereich des VCSELs von 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Wenn man sich nun den Zeichnungen zuwendet, in denen identische Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten jeweils sich entsprechende Elemente kennzeichnen, dann wird die Aufmerksamkeit zunächst auf 1 gerichtet, die einen langwelligen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSEL) zeigt, der im Allgemeinen mit 10 bezeichnet ist. Der VCSEL 10 ist auf einem Substrat 12 ausgebildet, welches in dieser speziellen Ausführungsform GaAs ist. GaAs wird vorzugsweise verwendet, um das Epitaxiewachstum der Komponenten des VCSELs 10 zu erleichtern, welcher Licht langer Wellenlänge, etwa im Bereich von 1,3 μm bis 1,55 μm, emittiert. Es sollte klar sein, dass GaAs nur als Beispiel verwendet wird und andere Halbleitermaterialien als Substrat 12 verwendet werden können.
  • Das Substrat 12 besitzt eine obere Oberfläche 13, auf der ein Spiegelstapel 14 angeordnet ist. Der Spiegelstapel 14 umfasst eine Mehrzahl von Spiegelpaaren in einem n-dotierten GaAs/AlGaAs-Materialsystem. Ein aktiver Bereich 20 ist auf dem Spiegelstapel 14 angeordnet. Der aktive Bereich 20 umfasst eine aktive Struktur 23, die zwischen einem ersten n-dotierten Umhüllungsbereich 24, dem angrenzenden ersten Spiegelstapel 14 und einem zweiten p-dotierten Umhüllungsbereich 25 angeordnet ist. Ein zweiter Spiegelstapel 26 ist auf dem zweiten Umhüllungsbereich 25 angeordnet und umfasst Spiegelpaare in einem p-dotierten GaAs/AlGaAs-Materialsystem.
  • Der Spiegelstapel 14 wird durch Epitaxie-Ablagerung von Paaren von Schichten auf dem Substrat 12 gezüchtet. Um eine Kristallgitteranpassung des Spiegelstapels 14 mit dem Substrat 12 durchzuführen, muss ein geeignetes Halbleitermaterialsystem abgelagert werden. In diesem speziellen Beispiel ist das Substrat 12 GaAs und deshalb wird ein GaAs/AlGaAs-Materialsystem verwendet. Etwa 20 bis 40 Spiegelpaare dieses Materialsystems werden abhängig vom Unterschied zwischen den Brechungsindizes der Schichten auf dem Substrat 12 abgelagert. Der unterschiedliche Brechungsindex der Schichten eines jeden Paares wird dadurch erzielt, dass der Aluminiumgehalt verändert wird. In dieser speziellen Ausführungsform ist es bevorzugt, dass ein Spiegelpaar aus einer Schicht 15 mit GaAl.7As und einer Schicht 16 aus GaAs gebildet wird. Die große Anzahl von Paaren erhöht den Prozentsatz des reflektierten Lichts.
  • Der Umhüllungsbereich 24 umfasst eine oder mehrere Schichten, die abgestuft sein können. In dieser speziellen Ausführungsform ist der Umhüllungsbereich 24 aus einem AlGaAs-Materialsystem gebildet. Der Umhüllungsbereich 24 umfasst beispielsweise eine erste Schicht 30 aus AlGaAs, wobei der molare Anteil von Al von 40% bis 50% reicht, und eine zweite Schicht 31 aus einem Material mit einem molaren Anteil von Al im Bereich von 20% bis 40%, um eine bessere Trägerbegrenzung der Struktur 23 zu erhalten.
  • Die aktive Struktur 23 umfasst in dieser Ausführungsform drei Quantenschachtschichten 35, 36 und 37, die durch Grenzschichten 38 und 39 voneinander getrennt sind. Beispielsweise sind die Quantenschachtschichten 35, 36 und 37 und die Grenzschichten 38 und 39 jeweils etwa 100 Å dick, und die gesamte Dicke des aktiven Bereichs 20 entspricht etwa der Wellenlänge des emittierten Lichts oder eines Vielfachen davon. Die Quantenschachtschichten 35, 36 und 37 sind aus GaxTl1-xP gebildet. Die Grenzschichten 38 und 39 sind aus undotiertem GaAs gebildet. Ein Fachmann wird verstehen, dass mehr oder weniger Quantenschachtschichten und Grenzschichten abhängig von der jeweiligen Anwendung verwendet werden können. Der aktive Bereich 20 und erste und zweite Spiegelstapel 14 bzw. 26 sind derart ausgestaltet, dass sie Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 1,3 μm bis 1,55 μm emittieren. Spezieller ermöglicht die Verwendung von GaTlP im aktiven Bereich Laseremissionen im Infrarotlichtbereich, die ideal sind für optische Langstrecken-Telekommunikationsanwendungen. Um diesen Bereich zu erreichen, sind die Quantenschächte mit einer direkten Energiebandlücke im Bereich von etwa 0,8 eV bis 0,95 eV ausgestattet und bezüglich der Gitterstruktur an GaAs angepasst, wobei die Zusammensetzung x in einem Bereich von etwa 40% bis 60% liegt.
  • Eine graphische Darstellung der direkten Energiebandlücke von GaxTl1-xP gegenüber der Gitterkonstanten und der entsprechenden Wellenlänge ist in 2 dargestellt. Spezieller ist die Beziehung zwischen den binären Verbindungen TlP und GaP und der ternären Verbindung GaTlP hinsichtlich ihrer Bandlücken, Gitterkonstanten und der entsprechenden Wellenlängen dargestellt. Die vorliegende Erfindung verwendet die ternäre Verbindung GaTlP als aktiven Bereich 20, die hinsichtlich der Bandlücke und der Gitterkonstanten lediglich entlang Linie 62 von GaP zu TlP variieren kann. Es gibt lediglich einen Punkt 64 entlang dieser Linie 62, der eine Bandlücke von 1 eV (1,24 μm) besitzt, der zufällig eine Gitterkonstante besitzt, die der Gitterkonstante von GaAs entspricht. Während der Herstellung erfordert ein gutes Epitaxiewachstum eine perfekte Anpassung der Kristallgitterkonstanten. Eine geringe Abweichung in der Gitterkonstanten wird immer noch ein gutes Epitaxiewachstum erlauben, wenn sich die gesamte Epitaxiedicke innerhalb der kritischen Dicke befindet. Wenn sie zu dick ist, wird sich die Belastung entspannen und eine Wachstumsverlagerung entwickeln. Für diese Erfindung wird das GaTlP bei einer Bandlücke von 0,95 eV (1,3 μm) leicht in Richtung einer Kompression belastet und immer noch hinsichtlich der Gitterstruktur an das GaAs angepasst.
  • Der Umhüllungsbereich 25 umfasst eine oder mehrere Schichten, die abgestuft sein können, falls dies notwendig ist. In dieser speziellen Ausführungsform ist der Umhüllungsbereich 25 aus einem AlGaAs-Materialsystem gebildet. Der Umhüllungsbereich 25 umfasst beispielsweise eine erste Schicht 40 aus AlGaAs mit einem molaren Anteil an Al im Bereich von 20% bis 40%, und eine zweite Schicht 41 aus AlGaAs-Material mit einem molaren Anteil an Al im Bereich von 40% bis 60% im Sinne einer besseren Trägerbegrenzung.
  • Der Spiegelstapel 26 wird gezüchtet durch Epitaxie-Ablagerung von Paaren von Schichten auf dem Umhüllungsbereich 25. Um den Spiegelstapel 26 hinsichtlich der Kristallgitterstruktur an die aktive Struktur 23 anzupassen, muss ein geeignetes Halbleitermaterialsystem abgelagert werden. In diesem speziellen Beispiel ist der Umhüllungsbereich 25 auf der Ba sis von GaAs gebildet, und deshalb wird ein GaAs/AlGaAs-Materialsystem verwendet. Etwa 20 bis 40 Spiegelpaare dieses Materialsystems werden auf dem Umhüllungsbereich 25 abhängig vom Unterschied zwischen den Brechungsindizes der Schichten abgelagert. Der unterschiedliche Brechungsindex der Schichten eines jeden Paares wird erhalten, indem der Aluminiumgehalt verändert wird. In dieser speziellen Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn eine Schicht 42 aus GaAl.7As und eine Schicht 43 aus GaAs ein Spiegelpaar bilden. Die große Anzahl von Paaren erhöht den Prozentsatz reflektierten Lichts.
  • Um den VCSEL 10 zu vervollständigen, wird eine Kontaktschicht 45 auf dem Spiegelstapel 26 angeordnet, und eine Kontaktschicht 46 wird auf dem Substrat 12 angeordnet, beispielsweise auf dessen rückseitiger Oberfläche. Wie einem Fachmann klar sein wird, ist der Kontakt 45 so ausgebildet, dass er eine Lichtemission des VCSELs 10 erlaubt.
  • Verschiedene Veränderungen und Modifikationen zu den Ausführungsformen, die hier zum Zwecke der Darstellung ausgewählt wurden, werden einem Fachmann auf einfache Weise ersichtlich sein. Beispielsweise sollte klar sein, dass eine Symmetrie der VCSEL-Struktur sowohl für p- als auch n-Dotiermittel existiert und dass es elektrisch invertierte Strukturgestaltungen gibt.

Claims (7)

  1. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum zum Emittieren langwelligen Lichts, mit: einem ersten Spiegelstapel (14); einem aktiven GaTlP-Bereich (20) mit einem Quantenschacht (35, 36, 37), wobei der aktive Bereich (20) auf dem ersten Spiegelstapel (14) angeordnet ist; und einem zweiten Spiegelstapel (26), der auf dem aktiven Bereich (20) angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Spiegelstapel eine oder mehrere Schichten von GaAs aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass der aktive GaTlP-Bereich in Richtung einer Kompression belastet ist und hinsichtlich des Gitters an den ersten und zweiten Spiegelstapel angepasst ist, wodurch der erste und zweite Spiegelstapel und der aktive GaTlP-Bereich zusammenwirken können, um Licht einer Wellenlänge im Bereich von 1,3 μm bis 1,55 μm zu emittieren.
  2. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 1, außerdem dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenschacht (35, 36, 37) mit einer direkten Energiebandlücke in einem Bereich von 0,8 bis 0,95 eV ausgestattet ist.
  3. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 1 oder 2, außerdem dadurch gekennzeichnet, dass der Quantenschacht (35, 36, 37) GaxTl1-xP umfasst.
  4. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 3, außerdem dadurch gekennzeichnet, dass x hinsichtlich des Gitters an GaAs angepasst ist.
  5. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Hohlraum nach Anspruch 3 oder 4, außerdem dadurch gekennzeichnet, dass x in einem Bereich von 40% bis 60% liegt.
  6. Verfahren zur Herstellung eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Hohlraums zum Emittieren langwelligen Lichts einer Wellenlänge im Bereich von 1,3 μm bis 1,55 μm, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats (12) mit einer Oberfläche (13); Epitaxie-Züchten eines ersten Spiegelstapels (14) auf der Oberfläche (13); Epitaxie-Züchten eines aktiven GaTlP-Bereichs (20) mit einem Quantenschacht (35, 36, 37) auf dem ersten Spiegelstapel (14); und Epitaxie-Züchten eines zweiten Spiegelstapels (26) auf dem aktiven Bereich (20); wobei der erste und der zweite Spiegelstapel eine oder mehrere Schichten von GaAs aufweisen; und dadurch gekennzeichnet, dass der aktive GaTlP-Bereich in Richtung einer Kompression belastet ist und hinsichtlich des Gitters an den ersten und zweiten Spiegelstapel angepasst ist, wodurch der erste und zweite Spiegelstapel und der aktive GaTlP-Bereich zusammenwirken können, um Licht einer Wellenlänge im Bereich von 1,3 μm bis 1,55 μm zu emittieren.
  7. Verfahren zum Herstellen eines oberflächenemittierenden Lasers mit vertikalem Hohlraums zum Emittieren langwelligen Lichts nach Anspruch 6, außerdem dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Epitaxie-Züchtens eines aktiven GaTlP-Bereichs (20) das Epitaxie-Züchten des Quantenschachts (35, 36, 37) mit GaxTl1-xP umfasst.
DE69838308T 1997-02-25 1998-02-18 Langwelliger VCSEL Expired - Lifetime DE69838308T2 (de)

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