DE69925995T2

DE69925995T2 - Oberflächenemittierende optische Vorrichtung

Info

Publication number: DE69925995T2
Application number: DE69925995T
Authority: DE
Inventors: David Martin Kelvinside DAWSON; William Robert Kirkintilloch MARTIN
Original assignee: BTG International Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2006-06-01
Also published as: KR20010042718A; WO1999053578A1; US6563141B1; EP1072072B1; JP2002511659A; GB9807692D0; EP1072072B8; DE69925995T8; US20030146442A1; EP1072072A1; DE69925995D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft oberflächenemittierende, optische Festkörper-Vorrichtungen. Im einzelnen betrifft die Erfindung oberflächenemittierende, optische Vorrichtungen, die Strukturen aufweisen, welche auf dem InAlGaN-quaternärem System basieren, insbesondere Gallium-Nitrid (GaN) vertikal-Hohlraum oberflächenemittierende Laser (VCSELs) mit kurzer Wellenlänge (weniger als 600 nm) und GaN oberflächenemittierende Dioden.
Solche optischen Vorrichtungen sind aus US-A-5,753,940 und aus einem Artikel von Sakaguchi T. et al.: „MgO/SiO₂ dielectric multilayer reflectors for GaN-based ultraviolet surface emitting lasers", veröffentlicht in IEEE Lasers und Electro-Optics Society 1995 Annual Meeting, San Francisco, 30.–31. Okt. 1995, Vol. 2, Nr. 8, 1. November 1995, Seite 102/103, bekannt.
Gemäß eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird eine oberflächenemittierende optische Festkörper-Vorrichtung, wie in Anspruch 1 definiert, bereitgestellt.
Auf Grund des DBR-Spiegels, der aus dielektrischem Material gebildet wird, kann das hohe Brechungsindexverhältnis größer sein als 1,2, ist vorzugsweise größer als 1,3, ist vorteilhafterweise größer als 1,5, wodurch als Ergebnis wenige Perioden (vorzugsweise, weniger als fünfzehn Perioden, vorteilhafterweise weniger als zehn Perioden) benötigt werden, um einen hoch reflektierenden Spiegel herzustellen (welcher, wie es in Laservorrichtungen typisch ist, ein Reflexionsvermögen in der Größenordnung von 97% oder höher aufweist), was den Vorteil hat, dass der Herstellungsprozess einfach ist.
Vorzugsweise ist die Herstellung die einer Anordnung von Säulen, die eine seitliche Abmessung von weniger als ungefähr 50 μm aufweisen und in einem Abstand (von Zentrum zu Zentrum) von weniger als ungefähr 100 μm angeordnet sind; vorteilhafterweise weisen die Säulen eine seitliche Ausdehnung von weniger als ungefähr 10 μm auf und sind seitlich in einem Abstand von weniger als ungefähr 20 μm angeordnet. Als Alternative kann die Herstellung die einer Anordnung von Streifen oder Linien sein, die sich zu einer Länge von 100 μm oder mehr erstrecken, getrennt durch eine kleine Zahl von μm, typischerweise ungefähr 10 μm, und eine Breite aufweist, die in ihrer Abmessung vergleichbar ist mit den Abständen.
Man wird klar erkennen, dass die Unterschicht normalerweise ein Substrat sein wird, das eine Pufferlage aufweist; vorzugsweise ist das Substrat Saphir, als Alternative ist das Substrat SiC; vorzugsweise basiert die Pufferlage auf irgendeinem der Nitride der dritten Gruppe (Periodensystem). Wenn Substrate von hoher Qualität verfügbar sind, dann kann die Unterschicht nur aus dem Substrat bestehen.
Die Unterschicht ist typischerweise ein Platten-ähnlicher Bestandteil, bei dem die DBR-Spiegel-Anfertigung von einer Oberfläche getragen wird und bei dem sich die epitaktisch geschichtete Struktur aus dieser Oberfläche erstreckt. Die Oberfläche kann eben sein, wobei die hergestellten Anordnungen von Säulen oder Streifen aufrecht auf der ebenen Oberfläche stehen. Als Alternative kann die Oberfläche strukturiert sein, um säulenförmige oder gestreifte Vertiefungen zu bilden, in denen sich die hergestellte Spiegelanordnung befindet. In jedem Fall erstreckt sich die epitaktisch geschichtete Struktur aus der Oberfläche und über die Anfertigung. Im Grenzfall erstrecken sich die Vertiefungen durch die Dicke des Bestandteils und die DBR-Spiegel-Anfertigung wird sowohl vom Bestandteil als auch der epitaktisch geschichtete Struktur getragen.
Die epitaktische Struktur wird durch Verbindungen aus dem InAlGaN-quaternärem System gebildet, zum Beispiel GaN oder Legierungen davon. Vorzugsweise umfasst die epitaktische Struktur eine Indium-Gallium-Nitrid-basierte (InGaN) Multi-Quanten-Topfstruktur. Solche epitaktischen Strukturen werden verschiedentlich als homo-epitaktisch und hetero-epitaktisch bezeichnet.
Vorzugsweise ist eine der alternierenden Schichten in der mehrlagigen, dielektrischen Anfertigung Siliziumdioxid (SiO₂) und die andere alternierende Schicht ist Titandioxid (TiO₂). Die SiO₂/TiO₂ Verbindung weist ein sehr hohes Brechungsindexverhältnis auf (ungefähr 1,8) und ist für einen Betrieb nahe der 450 nm Wellenlänge, wo die Absorption sehr niedrig ist, besonders geeignet. Andere geeignete dielektrische Schichten können jedoch verwendet werden, und diese umfassen: MgF₂, CaF₂, Al₂O₃, ZnS, AlN, SiC, Si₃N₄ und ZrO₂; in Verbindungen wie: SiO₂/SiC, SiO₂/Si₃N₄, CaF₂/ZnS, Al₂O₃/TiO₂, SiO₂/AlN, und SiO₂/ZrO₂. Die SiO₂/ZrO₂ Verbindung ist besonders für einen Betrieb bei ungefähr der 400 nm Wellenlänge geeignet und weist ein Brechungsindexverhältnis von ungefähr 1,4 auf.
Vorzugsweise ist der Körper aus optischem Verstärkermedium von einer leitend dotierten Schicht bedeckt und liegt über einer leitend dotierten Schicht, welche den DBR-Spiegel bedeckt und Elektroden sind mit den leitend dotierten Schichten zur elektrischen Anregung der Vorrichtung verbunden, wodurch die Vorrichtung als Diode betrieben werden kann.
Vorzugsweise wird ein weiterer Spiegel, der teilweise optisch durchlässig ist, auf der epitaktischen Struktur so im Verhältnis zum DBR-Spiegel angeordnet, dass die epitaktische Struktur als ein optischer Festkörperhohlraum wirkt.
Wo die optische Vorrichtung eine Licht-emittierende Diode ist, hat der weitere Spiegel ein Reflexionsvermögen im Bereich von ungefähr 50% bis 90%, so dass ein Lasern nicht ausgelöst wird. wo die optische Vorrichtung ein VCSEL ist, hat der weitere Spiegel ein höheres Reflexionsvermögen als ungefähr 98%, so dass ein Lasern ausgelöst wird und, vorausgesetzt dass die Unterschicht durchlässig ist, kann der Laserausstoß entweder durch den DBR-Spiegel oder den weiteren Spiegel, entsprechend der jeweiligen Reflexionsvermögen, genommen werden.
Der weitere Spiegel kann aus jedweden geeigneten Materialien hergestellt werden, wie Halbleiter, Metalle und/oder dielektrische Substanzen.
Gemäß eines zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer oberflächenemittierenden optischen Festkörper-Vorrichtung, wie in Anspruch 7 definiert, bereitgestellt.
Auf Grund dieses Aspektes der vorliegenden Erfindung kann eine wirksame, oberflächenemittierende, optische Vorrichtung (wie ein GaN VCSEL), einschließlich eines DBR-Spiegels, der wenige Perioden aufweist, hergestellt werden. Das optische Verstärkungsmedium, das über dem DBR-Spiegel liegt, ist im Wesentlichen fehlerfrei, weil der Spiegel Einfädel-Versetzungen, die sich aus der Unterschicht ausbreiten, stoppt. Weil Einfädel-Versetzungen sich vertikal ausbreiten, ist das optische Verstärkungsmedium über dem DBR seitwärts gegen jede Einfädel-Versetzung, die sich aus der darunterliegenden Schicht ausbreitet, versetzt.
Das Verfahren kann weiterhin die Schritte umfassen:
Wachsen eines weiteren Spiegels auf dem Körper aus optischem Verstärkungsmedium;
Bereitstellen einer ersten Elektrode, die elektrisch mit einer Seite des optischen Verstärkungsmediums in ausgerichtetem Verhältnis mit der einen der frei stehenden Anfertigung verbunden ist; und
Bereitstellen einer zweiten Elektrode, die elektrisch mit der gegenüberliegenden Seite des optischen Verstärkungsmediums verbunden ist;
so dass das optische Verstärkungsmedium als ein optischer Hohlraum wirkt, der von den Elektroden elektrisch angeregt werden kann.
Die Anfertigung ist geeigneterweise in der Form einer Anordnung von individuellen Säulen oder von Streifen (Linien), die sich parallel zur Kristallrichtung <1, –1,0, 0> der Unterschicht erstrecken.
Vorzugsweise wird die Anordnung der Anfertigungen durch Strukturätzen bereitgestellt. Als Alternative kann die "Lift-off"-Technik" verwendet werden, wobei eine Struktur Photoresistmaterial vor dem mehrlagigen Abscheidungsbeschichten abgeschieden wird und nachfolgend chemisch aufgelöst wird, um die darüber liegende, mehrlagige Abscheidung zu entfernen und die dazwischenliegenden Bereiche der mehrlagigen Abscheidung zurückzulassen, wodurch die Säule oder die gestreiften Anfertigungen gebildet werden.
Gemäß eines dritten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer oberflächenemittierenden, optischen Festkörper-Vorrichtung gemäß Anspruch 9 bereitgestellt.
Gemäß eines vierten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer oberflächenemittierenden, optischen Festkörper-Vorrichtung gemäß Anspruch 10 bereitgestellt.
Durch Auswählen des optischen Verstärkungsmediums kann die optische Vorrichtung bei Wellenlängen von weniger als ungefähr 1 μm arbeiten; insbesondere durch Auswählen eines auf InGaN basierenden, optischen Verstärkungsmediums kann die optische Vorrichtung bei Wellenlängen von weniger als ungefähr 650 nm arbeiten, mit einer erwarteten optimalen Leistung bei ungefähr 400–450 nm.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind anhand von Beispielen aus der folgenden genauen Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erkennbar, in denen:
1a bis c drei oberflächenemittierende, optische Vorrichtungen mit kurzer Wellenlänge gemäß der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
2a bis 2h schematische Diagramme der optischen Vorrichtung von 1b nach verschiedenen Anfertigungsstufen sind;
2i ein schematisches Diagramm der Vorrichtung von 1b ist, nachdem der Anfertigungsprozess beendet ist;
3 eine Graphik des berechneten Spitzenreflexionsvermögens gegenüber der Anzahl der Perioden eines in den Vorrichtungen von 1a bis c verwendeten DBR-Spiegels ist;
4 eine Graphik des Reflexionsvermögens gegenüber der Wellenlänge des in den Vorrichtungen von 1a bis c verwendeten DBR-Spiegels ist;
5 ein schematisches Diagramm ist, das einen Teil der 1a bis 1c veranschaulicht; und
6 ein schematisches Diagramm der 1c ist.
1a veranschaulicht eine elektrisch injizierte, auf GaN basierende, oberflächenemittierende, optische Festkörper-Vorrichtung 10a gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 10a ist eine Diode 10a, welche Licht von kurzer Wellenlänge emittiert. Die Diode 10a hat eine Unterschicht in der Form eines Substrats 12 mit einer Pufferlage 13, die epitaktisch darauf gewachsen ist, einen DBR-Spiegel 14, der auf einem Teil der Pufferlage 13 angeordnet ist, und eine geschichtete Struktur 15, die sowohl auf dem Spiegel 14 als auch auf der Pufferlage 13 angeordnet ist, so dass der Spiegel durch die geschichtete Struktur 15 begraben ist.
Die geschichtete Struktur 15 umfasst eine Vorbereitungslage (eine erste leitende Schicht) 16, einen Körper aus optischem Verstärkungsmedium 18, der auf der Vorbereitungslage angeordnet ist, und eine zweite leitende Schicht 20, die auf dem Verstärkungsmedium 18 angeordnet ist.
Die Vorbereitungslage 16 ist auf und um den Spiegel 14 herum angeordnet, so das die Vorbereitungslage 16 sich von der Pufferlage 13, zu den Seiten des Spiegels 14 und seitlich auf der Oberseite des Spiegels 14 erstreckt.
Die Diode 10a weist außerdem eine erste Elektrode 22 auf, die elektrisch mit einer Seite des optischen Verstärkungsmediums 18 über die Vorbereitungslage 16 verbunden ist, und eine zweite Elektrode 24, die elektrisch mit der gegenüberliegenden Seite des optischen Verstärkungsmediums 18 über die zweite leitende Schicht 20 verbunden ist.
Bei Verwendung wird eine Vorwärtsvorspannung an das optische Verstärkungsmedium 18 über die ersten und zweiten Elektroden 22, 24 angelegt. Dieses Potenzial bewirkt die Erzeugung von Photonen im Verstärkungsmedium 18 und eine Emission dieser Photonen durch die Oberseiten-Oberfläche 18a dieses Mediums 18, wie durch die Pfeile 26 gezeigt. Photonen die durch die Unterseiten-Oberfläche 18b des Mediums 18 emittiert werden, werden durch den Spiegel 14 reflektiert, so dass sie die Diode 10a durch die Oberseiten-Oberfläche 18a verlassen.
1b veranschaulicht eine elektrisch injizierte, auf GaN basierende, oberflächenemittierende, optische Festkörpervorrichtung mit Mikrohohlraum 10b gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung 10b eine VCSEL-Vorrichtung mit kurzer Wellenlänge; obwohl eine ähnliche Struktur als Mikrohohlraum-LED verwendet werden könnte. Der VCSEL 10b ist der Diode 10a ähnlich, wobei der Unterschied darin besteht, dass der VCSEL 10b einen zweiten Spiegel 28 aufweist (geringfügig weniger reflektierend als der erste Spiegel), der über der zweiten leitenden Schicht 20 im ausgerichteten Verhältnis mit dem Spiegel 14 angeordnet ist. Eine Mikrohohlraum-LED würde typischerweise einen Oberseiten-Spiegel mit geringerem Reflexionsvermögen als ihn eine VCSEL Vorrichtung hätte, aufweisen.
Bei Verwendung, wenn ein Potenzial an das Verstärkungsmedium (das ein optischer Hohlraum ist) 18 über die ersten und zweiten Elektroden 22, 24 angelegt wird, bewirkt dieses Potenzial ein Lasern innerhalb des Hohlraums 18 und eine Emission von kohärenter Strahlung mit kurzer Wellenlänge von der Oberfläche des VCSEL 10b über den zweiten (oberen) Spiegel 28, wie durch Pfeil 30 gezeigt. Natürlich würde, wenn der Spiegel 14 geringfügig weniger reflektierend wäre als der Spiegel 28, die primäre Emission durch das Substrat 12 erfolgen.
1c veranschaulicht eine auf GaN basierende, oberflächenemittierende, optische Festkörpervorrichtung mit Mikrohohlraum 10c gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist die Vorrichtung 10c eine optisch gepumpte VCSEL-Vorrichtung 10c mit kurzer Wellenlänge. Der optisch gepumpte VCSEL 10c ist dem VCSEL 10b ähnlich; wobei der Unterschied darin besteht, dass VCSEL 10c keinerlei Elektroden oder eine zweite leitende Schicht (das heißt, die geschichtete Struktur 15, welche die Vorbereitungslage 16 und das Verstärkungsmedium 18 umfasst) aufweist. VCSEL 10c wird durch auf die Oberfläche des VCSEL 10c einfallende, optische Strahlung gepumpt, wie durch Pfeil 31 gezeigt.
2a bis 2h sind schematische Diagramme der Struktur von VCSEL 10b in verschiedenen Anfertigungsstufen. Der VCSEL 10b emittiert Licht von kurzer Wellenlänge bei einer vorgegebenen Wellenlänge, typischerweise im Bereich von 400–450 nm.
Bezug nehmend auf 2a, wird der VCSEL 10b als Schichten auf einem Saphirsubstrat 12 epitaktisch bewachsen. Eine GaN-Pufferlage 13, ungefähr 0.5 μm dick, wird auf dem Saphirsubstrat 12 bewachsen. Eine dielektrische, mehrlagige Beschichtung 32, die alternierende Schichten von Siliziumdioxid (SiO₂) 42 und Titandioxid (TiO₂) 44 umfasst, wird dann auf der GaN-Pufferlage 13 bewachsen.
Der Brechungsindex von Siliziumdioxid bei 450 nm beträgt ungefähr 1,55 und der Brechungsindex von Titandioxid bei 450 nm beträgt ungefähr 2,81, was ein Brechungsindexverhältnis von ungefähr 1,8 ergibt. Diese Werte deuten an, dass die jeweilige Dicke der Siliziumdioxidschicht 42 und der TiO₂-Schicht 44 ungefähr 72,5 nm und 40 nm betragen sollte, um einen DBR-Spiegel mit Viertelwellenlänge zu erhalten, bei beispielsweise 450 nm, was die jeweiligen Dicken sind, die in der mehrlagigen Beschichtung 32 gewachsen sind.
3 zeigt eine Graphik des berechneten Spitzenreflexionsvermögens gegenüber der Anzahl der Perioden von SiO₂/TiO₂ für die mehrlagige Beschichtung 32, die eine 72,5 nm dicke SiO₂ Schicht 42 und eine 40 nm TiO₂ Schicht 44 umfasst. Das Spitzenreflexionsvermögen steigt wegen des sehr großen Brechungsindexverhältnisses (1,8) schnell an, so dass 99% Refelxionsvermögen für nur fünf Perioden von SiO₂/TiO₂ erreicht werden. Um sicherzustellen, dass ein ausreichend hohes Reflexionsvermögen (größer als ungefähr 99%) erreicht wird, werden sechs Perioden in der mehrlagigen Beschichtung 32 verwendet (obwohl zur Übersichtlichkeit nur drei Perioden in 2a bis 2i gezeigt werden).
4 ist eine Graphik des vollen Reflexionsvermögens gegenüber einem Wellenlängenband für die mehrlagige Beschichtung mit sechs Perioden von 3. 4 zeigt, dass das Reflexionsvermögen über den spektralen Bereich von 425 nm bis 475 nm sehr groß ist.
Bezug nehmend auf 2b und auch auf 2c (die eine Draufsicht von 2b ist), wird diese mehrlagige Beschichtung 32 mit sechs Perioden unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer und Ätztechniken strukturgeätzt, um eine Anordnung von freistehenden Säulen 50 zu erzeugen, wobei jede Säule 50 eine seitliche Abmessung von ungefähr 5 μm aufweist und benachbarte Säulen 50 ungefähr 10 μm voneinander entfernt angeordnet sind (zwischen benachbarten Zentren). Strukturieren der Anordnung von Säulen legt Bereiche der Pufferlage 13 zwischen benachbarten Säulen 50 frei. Jede dieser Säulen 50 kann zur Verwendung als Spiegel 14 ausgewählt werden.
Bezug nehmend auf 2d, wird eine Vorbereitungslage in der Form einer Schicht von n-dotiertem GaN 16 auf den Bereichen der Pufferlage 13 zwischen den Säulen 50 bewachsen, so dass die n-dotierte Schicht 16 aus der GaN Pufferlage 13 herauswächst bis die Oberseite der Säulen 50 erreicht ist und dann wächst die Schicht 16 vertikal und seitwärts über die Oberseite der Säulen 50, so dass das seitwärts gewachsene GaN sich vereinigt, um eine zusammenhängende n-dotierte GaN-Schicht 16 zu bilden.
Die n-dotierte GaN-Schicht 16 (Vorbereitungslage) ist als Ergebnis dieser Strukturätz- und Wachstumstechnik im Wesentlichen fehlerfrei; insbesondere sind die Bereiche direkt über den Säulen im Wesentlichen frei von Einfädel-Versetzungen, die sich vertikal aus der Pufferlage 13 ausbreiten. Die n-dotierte GaN-Schicht 16 umgibt die Säulen 50 vollständig, was bewirkt, dass die Säulen 50 unter der n-dotierten GaN-Schicht 16 begraben sind.
Bezug nehmend auf 2e, wird dann ein optischer Hohlraum (Mikrohohlraum) 18 auf der n-dotierten GaN-Schicht 16 bewachsen. Dieser Mikrohohlraum 18 weist eine InGaN/GaN/AlGaN aktive Region auf, von dem ein Beispiel in 5 gezeigt wird. Der Hohlraum 18 umfasst: eine n-dotierte In_0,1Ga_0,9N Schicht 52, eine n-dotierte Al_0,14Ga_0,86N/GaN modulationsdotierte strained-layer Überstrukturgitter (MD-SLS)-Schicht 54, eine n-dotierte GaN-Schicht 56, eine In_0,02Ga_0,98N/In_0,15Ga_0,85N Multi-Quanten-Topfstruktur-Schicht 58, eine p-dotierte Al_0,2Ga_0,8N Schicht 60, eine p-dotierte GaN-Schicht 62, und eine p-dotierte Al_0,14Ga_0,86N/GaN MD-SLS Schicht 64.
Bezug nehmend auf 2f, wird dann eine p-dotierte GaN-Schicht 20 auf der Oberseiten-Oberfläche 18a des Mikrohohlraums 18 bewachsen. Nachfolgend wird, wie in 2g gezeigt, ein Bereich, der seitwärts mit Abstand von der Säule 50A (welche die Säule ist, die ausgewählt wurde, um als DBR-Spiegel 14 zu wirken) gelegen ist, weggeätzt, so dass ein Bereich der n-dotierten Schicht 16 freigelegt wird. Eine Elektrode 22, bestehend aus Titan und Aluminium, wird auf dem freigelegten Bereich der n-dotierten Schicht 16 aufgebracht, so dass die Elektrode 22 seitwärts mit Abstand von der Säule 50A (welche Spiegel 14 ist) gelegen ist. Diese Elektrode 22 wird als die n-Elektrode verwendet.
Bezug nehmend auf 2h, wird dann eine Schicht Siliziumoxid 72 auf der p-dotierten Schicht 20 bewachsen. Diese Siliziumoxidschicht 72 wir dann strukturiert und geätzt, so dass eine zweite Elektrode 24, hergestellt aus Gold und Nickel, auf die leitende Schicht 20 in den geätzten Bereichen des Siliziumoxids aufgebracht werden kann. Diese Elektrode 24 wird als die p-Elektrode verwendet. Die p-Elektrode definiert eine Öffnung, die sich in einem ausgerichteten Verhältnis zum Spiegel 14 und Hohlraum 18 befindet.
Die p-Elektrode 24 ist elektrisch mit der Oberseiten-Oberfläche 18a des Mikrohohlraums 18 über die p-dotierte Schicht 20 verbunden, und die n-Elektrode 22 ist elektrisch mit der Unterseiten-Oberfläche 18b des Mikrohohlraums 18 durch Verbindung mit der n-dotierte Schicht 16 verbunden.
Ein zweiter Spiegel 28 wird dann auf der Oberseite der p-dotierten Schicht 20 in einem Bereich senkrecht über dem Spiegel 14 und dem Mikrohohlraum 18 aufgebracht. Der zweite Spiegel 28 ist eine dielektrische Spiegelbeschichtung, die ähnlich zur Beschichtung 32 ist, aber nur fünf Perioden aufweist, so dass das Reflexionsvermögen von Spiegel 28 geringfügig geringer ist, als das der Beschichtung 32. Ein zweiter Unterschied zwischen Beschichtung 32 und Spiegel 28 besteht darin, dass Spiegel 28 nicht strukturgeätzt ist.
2i zeigt den vollständigen VCSEL 10b, zur Übersichtlichkeit wird jedoch nur Säule 50A gezeigt. Bei Verwendung werden Träger elektrisch in den Mikrohohlraum 18 durch Anlegen einer Spannung an die n- und p-Elektroden 22, 24 injiziert. Die Spiegel 14, 28 stellen ein sehr hohes Reflexionsvermögen bereit, so dass bei Verwendung kohärentes Licht mit hoher Intensität von ungefähr 450 nm Wellenlänge von der Oberseite des VCSEL 10b, (durch den Spiegel 28) wie durch Pfeil 30 gezeigt, emittiert wird.
6 ist ein schematisches Diagramm der Struktur des optisch gepumpten VCSEL 10c von 1c. Der VCSEL 10c emittiert ebenfalls Licht von kurzer Wellenlänge bei einer vorgegebenen Wellenlänge im Bereich von 400–450 nm.
VCSEL 10c ist ähnlich zu VCSEL 10b; es gibt jedoch keine Elektroden in VCSEL 10c. VCSEL 10c weist ein Saphirsubstrat 12, eine GaN Pufferlage 13, einen DBR-Spiegel 14 (gebildet aus einer strukturgeätzten, dielektrischen SiO₂/TiO₂ Beschichtung mit sechs Perioden), eine n-dotierte GaN-Schicht 16 und einen Mikrohohlraum 18 auf, alle identisch zu jenen von 2i. Der zweite Spiegel 28 ist jedoch direkt auf der Oberseite des Mikrohohlraums 18 (das heißt, es gibt keine intermediäre, leitende Schicht) aufgebracht. Bei dieser Ausführungsform werden Träger im Mikrohohlraum 18 durch Beleuchten der Oberseite des VCSEL 10c durch einen Pumpstrahl (wie durch Pfeil 31 gezeigt) von geeigneter Wellenlänge und Intensität erzeugt.
Wo eine GaN Licht-emittierende Diode hergestellt werden soll, kann die Struktur von 2i ohne den oberen Spiegel 28 hergestellt werden, da dies für einen LED-Betrieb nicht notwendig ist. Als Alternative kann ein oberer Spiegel verwendet werden, der nicht hoch reflektierend (nur teilweise reflektierend) ist, so dass einige Strahlung zurück zu Hohlraum 18 reflektiert werden würde, aber keine ausreichende Strahlung, um ein Lasern im Hohlraum zu bewirken. Die GaN LED würde Licht mit kurzer Wellenlänge emittieren, zum Beispiel zentriert auf ungefähr 450 nm. Die GaN LED kann mehr als eine (zum Beispiel eine Anordnung von einhundert) der Säulen 50 verwenden, um eine DBR-Spiegelwirkung bereitzustellen.
Verschiedene Modifikationen können an den oben beschriebenen Ausführungsformen gemacht werden. Zum Beispiel können die p- und n-Elektroden unter Verwendung von anderen Materialien als jene, die beschrieben wurden, hergestellt werden. In anderen Ausführungsformen können die Säulen Streifen (Linien) statt der Sechsecke, die in 2c gezeigt werden, sein, in diesem Fall wird nur ein Teil der Streifenlänge verwendet, um den Spiegel zu bilden und geeigneterweise wird die Elektrode 22 über einem anderen Teil des gleichen Streifens (so dass sie auf einem, im Wesentlichen fehlerfreien Bereich der Schicht 16 gelegen ist) aufgebracht. Andere Substrate als Saphir können verwendet werden, zum Beispiel kann Siliziumkarbid verwendet werden. Man wird erkennen, dass eine Anordnung von oberflächenemittierenden Vorrichtungen auf einem einzelnen Substrat hergestellt werden kann. Außerdem kann im Herstellungsverfahren die Unterschicht zuerst strukturiert werden, um eine Anordnung von Vertiefungen in der Oberfläche bereitzustellen und danach können die dielektrischen Anfertigungen in den Vertiefungen mit zwischen den benachbarten Vertiefungen freigelegten Bereichen der Unterschicht aufgebracht werden, wobei die epitaktische Struktur dann auf den freigelegten Bereichen bewachsen wird. Als Alternative kann die Strukturierung der Vertiefungen die Form von Laser-gebohrten Löchern (kreisförmig oder länglich) annehmen, wobei die epitaktische Struktur dann auf der gelochten Unterschicht bewachsen wird, welche vorzugsweise Galliumnitrid (GaN) von hoher Qualität ist und wobei die Bragg-Spiegel-Anfertigungen nachfolgend in den Löchern gebildet werden, so dass die Anfertigungen sowohl von der Unterschicht als auch von der epitaktisch geschichteten Struktur, die über den Löchern liegt, getragen wird.

Claims

Oberflächenemittierende optische Festkörper-Vorrichtung mit einem Körper aus optischem Verstärkungsmedium (18), das über einem DBR-(Distributed Bragg Reflector) Spiegel (14) mit hohem Reflexionsvermögen liegt, welcher von einer Unterschicht (13) getragen wird, wobei der DBR-Spiegel (14) eine mehrlagige dielektrische Anfertigung mit alternierenden Lagen aus dielektrischem Material mit einem hohen Brechungsindexverhältnis zwischen den benachbarten Lagen in der Anfertigung ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus optischem Verstärkungsmedium (18) Teil einer homo-epitaktisch geschichteten Halbleiterstruktur ist, die eine Vorbereitungslage (16) einschließt, die sich von der Unterschicht seitwärts über die Oberseite der Anfertigung (14) erstreckt, wo sie in einer einzigen Lage vereinigt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das hohe Brechungsindexverhältnis größer als 1,3 ist.
Vorrichtung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Unterschicht (13) ein Substrat (12) mit einer Pufferlage umfasst, welche ein Nitrid eines Elements der dritten Gruppe in dem Periodensystem ist,
Vorrichtung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die homo-epitaktisch geschichtete Halbleiterstruktur (15) durch Verbindungen aus dem InAlGaN-quaternären System gebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die homo-epitaktisch geschichtete Halbleiterstruktur (15) eine Indium-Gallium-Nitrid-basierte InGaN-Multi-Quanten-Topfstruktur umfasst.
Vorrichtung gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei ein weiterer Spiegel (28) auf der homo-epitaktisch geschichteten Halbleiterstruktur (15) so im Verhältnis zu dem DBR-Spiegel (14) angeordnet ist, dass die homo-epitaktisch geschichtete Halbleiterstruktur (15) als ein optischer Festkörper-Hohlraum wirkt.
Verfahren zum Herstellen einer oberflächenemittierenden Festkörper-Vorrichtung einschließlich eines DBR-(Distributed Bragg Reflector) Spiegels, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Unterschicht (13), die in der Lage ist, homo-epitaktisches Wachstum zu unterstützen; Abscheiden einer mehrlagigen Beschichtung auf der Unterschicht, wobei die Beschichtung wechselnde Lagen aus dielektrischem Material mit hohem Brechungsindex und dielektrischem Material mit niedrigem Brechungsindex umfasst; wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es weiterhin die Schritte umfasst: selektives Entfernen von Bereichen der Beschichtung, um mindestens eine frei stehende dielektrische Anfertigung (14) bereitzustellen, wobei Bereiche der Unterschicht benachbart zu der mindestens einen Anfertigung offen gelegt werden; homo-epitaktisches Wachsen einer geschichteten Halbleiterstruktur (15) einschließlich einer Vorbereitungslage (16) und eines Körpers aus optischem Verstärkungsmedium (18) auf den offen gelegten Bereichen der Unterschicht, so dass ein unterer Teil der Struktur nach oben und seitwärts auf der Oberseite des mindestens einen frei stehenden dielektrischen Anfertigungsspiegels wächst und sich in einer kontinuierlichen Lage vereinigt und ein oberer Teil der Struktur den Körper aus optischem Verstärkungsmedium einschließt und so über den Anfertigungen liegt, dass eine der frei stehenden Anfertigungen den DBR-Spiegel bereitstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, umfassend die Schritte des Wachsens eines weiteren Spiegels auf dem Körper aus optischem Verstärkungsmedium (18); Bereitstellens einer ersten Elektrode (22), die elektrisch mit einer Seite des optischen Verstärkungsmediums (18) in ausgerichtetem Verhältnis mit der einen der frei stehenden Anfertigungen (14) verbunden ist; und Bereitstellens einer zweiten Elektrode (24), die elektrisch mit der gegenüberliegenden Seite des optischen Verstärkungsmediums verbunden ist; so dass das optische Verstärkungsmedium als ein optischer Hohlraum wirkt, der von den Elektroden elektrisch angeregt werden kann.
Verfahren zur Herstellung einer oberflächenemittierenden Festkörpervorrichtung einschließlich eines DBR-(Distributed Bragg Reflector) Spiegels (14), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Unterschicht (13), die in der Lage ist, homo-epitaktisches Wachstum zu unterstützen; selektives Gestalten einer Oberfläche der Unterschicht, um eine Anordnung von Vertiefungen in der Oberfläche bereitzustellen; Bereitstellen eines viellagigen Dielektrikums in jeder Vertiefung, wobei Teile der Unterschicht zwischen benachbarten viellagigen Dielektrika offen gelegt sind, wobei jedes Dielektrikum wechselnde Lagen aus dielektrischem Material mit hohem Brechungsindex und dielektrischem Material mit niedrigem Brechungsindex umfasst; homo-epitaktisches Wachsen einer geschichteten Halbleiterstruktur (15) einschließlich eines Körpers aus optischem Verstärkungsmedium (18) auf den offen gelegten Bereichen der Unterschicht, so dass ein unterer Teil der Struktur nach oben und seitwärts auf der Oberseite der mehrlagigen Dielektrika wächst, wo er sich in einer kontinuierlichen Vorbereitungslage (16) vereinigt, und ein oberer Teil der Struktur, die homo-epitaktisch auf der Vorbereitungslage gewachsen ist, den Körper aus optischem Verstärkungsmedium einschließt und über den mehrlagigen Dielektrika liegt, so dass eines der mehrlagigen Dielektrika den DBR-Spiegel (14) bereitstellt.
Verfahren zum Herstellen einer oberflächenemittierenden Festkörpervorrichtung einschließlich eines DBR-(Distributed Bragg Reflector) Spiegels (14), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen einer Unterschicht (13) aus Galliumnitrid; Gestalten der Unterschicht mit Laser-gebohrten Löchern; homo-epitaktisches Wachsen einer geschichteten Halbleiterstruktur (15) einschließlich eines Körpers aus optischem Verstärkungsmedium auf einer Oberfläche der Unterschicht, so dass der untere Teil der Struktur nach oben und seitwärts auf der Oberfläche wächst und über den darin befindlichen Löchern liegt; und Abscheiden des DBR-Spiegels in Form eines mehrlagigen Dielektrikums innerhalb der Dicke jedes Lochs, so dass das Dielektrikum sowohl von der Unterschicht als auch von der über den Löchern liegenden epitaktisch geschichteten Struktur getragen wird, wobei jedes mehrlagige Dielektrikum wechselnde Lagen aus dielektrischem Material mit hohem Brechungsindex und dieelektrischem Material mit niedrigem Brechungsindex umfasst.