DE19903355A1 - Vertikaler Oberflächen emittierender Hohlraumlaser - Google Patents
Vertikaler Oberflächen emittierender HohlraumlaserInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen vertikalen Ober
flächen emittierenden Hohlraumlaser. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung einen oben emittierenden Laser mit einer
Strominjektion an der Deckelektrode, so daß ein verbessertes
optisches Modenprofil und bessere Energiehandhabung erzielt
wird.
Im allgemeinen wird bei den bekannten bisher eingesetzten
Laserdesigns der Strom durch einen Ringkontakt injiziert.
Jedoch ist der Durchmesser der Vorrichtung im allgemeinen
größer als der vertikale Abstand der Elektrode zur aktiven
Licht emittierenden Fläche. Dies begrenzt die Stromausbrei
tung. Da zudem das Lasern vorzugsweise um den Umfang der Vor
richtung stattfindet, werden verschiedene Einschränkungen
bedingt, einschließlich:
- i) Komplikationen bei der Gestaltung von Hochleistungslasern durch die Zunahme der Fläche, da die maximale Ausgangs leistung zum Umfang und nicht zur Fläche proportional ist;
- ii) Kopplungsschwierigkeiten beim Lichtausgang in die opti sche Faser bzw. Lichtwellenleiter, da die Faser von einem Ringmuster entlang dem Umfang emittiert wird;
- iii) einem geringen Wirkungsgrad, da das Lasern nahe dem Stromsperrbereich stattfindet, welcher das aktive Volumen umgibt. Diese entweder oxidierte, implantierte oder anders geartet gestaltete Fläche weist einen höheren Grad an Defekten auf; dies führt zu einer niedrigen Quanten effizienz;
- iv) einem hohen Widerstand der Vorrichtung;
- v) einem Modenmuster, welches ungesteuert ist sowie mit dem Durchlaßstrom und zwischen einzelnen Vorrichtungen vari iert;
- vi) einer hohen Variation der Ausgangsleistung zwischen unterschiedlichen Vorrichtungen; und
- vii) einem Prozeß, welcher eine hohe Präzision bei der Fest legung des Elektrodenmusters erfordert.
Beim Stand der Technik wird bei gegenwärtigen Designs der
Ringkontakt außerhalb der emittieren Fläche positioniert.
Zudem weisen die Designs eine Stromsperrschicht auf, um den
Strom in das aktive Volumen zu forcieren. Die Stromsperr
schicht kann Ionen-implantiert sein, wie etwa im US-Patent Nr.
5,115,442 beschrieben ist, welches am 19. Mai 1992 Lee et al.
erteilt wurde, oder oxidiert sein, wie im US-Patent
Nr. 5,262,360 offenbart ist, welches an Holonyak, Jr. Et al. am
16. November 1993 erteilt wurde. Öfter wird eine Ringelektrode
eingesetzt, welche teilweise die aktive Licht emittierende
Fläche bedeckt. Diese Designs können mit einer Schicht
(Schichten) mit abgestuftem spezifischen Widerstand mit einem
variierenden hohen und niedrigen spezifischen Widerstand kom
biniert werden, um die Stromausbreitung zu verbessern. Die
Stromausbreitung wird im US-Patent Nr. 5,343,487 beschrieben,
welches an Scott et al. am 30. August 1994 erteilt wurde.
In Hinblick auf die Einschränkungen der bestehenden Methoden
lehre existiert ein Bedarf an einem höheren Wirkungsgrad bzw.
Effizienz der Ausgangsleistung von oben emittierenden Lasern.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Wirkungsgrad der
Ausgangsleistung von oben emittierenden Lasern bzw. "top
emitting lasers" zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination
des Anspruches 1 bzw. 12 gelöst, die Unteransprüche zeigen
vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung.
Die Erfindung liefert eine Lösung für die Aufgabe sowie einen
Weg zur Steuerung des optischen Modenprofils.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
vertikaler Oberflächen emittierender Hohlraumlaser bzw.
"vertical cavity surface emitting laser" (VCSEL) mit
verbesserter Stromausbreitung geschaffen.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird eine Licht emittierende Vorrichtung geschaffen, mit:
einem Substrat,
einer ersten Schicht aus dielektrischen Spiegeln,
einer aktiven Schicht,
einem passivierten Bereich,
einer zweiten Schicht aus dielektrischen Spiegeln,
einer Bondungsfläche und
einer Elektrode, die mit der Fläche verbunden sowie in elektrischem Kontakt mit der zweiten Schicht aus dielek trischen Spiegeln ist.
einem Substrat,
einer ersten Schicht aus dielektrischen Spiegeln,
einer aktiven Schicht,
einem passivierten Bereich,
einer zweiten Schicht aus dielektrischen Spiegeln,
einer Bondungsfläche und
einer Elektrode, die mit der Fläche verbunden sowie in elektrischem Kontakt mit der zweiten Schicht aus dielek trischen Spiegeln ist.
Die obere bzw. Deckelektrode des oben emittierenden VCSEL kann
jede Form einnehmen, die eine Strominjektion in den aktiven
Bereich erleichtert. Im Ausführungsbeispiel ist eine kreisför
mige Elektrode mit Fingern, welche die leitende bzw.
durchlässige aktive Fläche überlagern, versehen, jedoch ist
dem Durchschnittsfachmann ersichtlich, daß die gleiche Wirkung
erzielende Variationen einsetzbar sind. Bezüglich Variationen
kann die Elektrode eine Anordnung mit jeglicher Anzahl und
Form von Fingern in Richtung zur Mitte der Vorrichtung
aufweisen, um die Stromausbreitung zu verbessern. Die
Elektrode kann ein Muster einsetzen, welches das Modenmuster
in der Vorrichtung verbessert. Des weiteren kann die Elektrode
unsymmetrisch, etwa gestreift sein, um die Polarisierung der
Vorrichtung zu verbessern.
Weitere Designvariationen der Vorrichtung können in der Posi
tionierung eines inneren Ringes koaxial zur mit der Bondungs
fläche verbundenen Elektrode bestehen. Auch kann das erfin
dungsgemäße Konzept bei nicht kreisförmigen Formen der emit
tierenden Fläche eingesetzt werden.
Die Form des Deckkontaktes kann für eine verbesserte Polari
sierung ausgestaltet werden, so daß ein höherer Polarisie
rungsgrad des emittierenden Lichtes erzielt wird. Die Form
kann für jede elektrooptische Vorrichtung, etwa Licht emittie
rende Mikrohohlraumdioden (MCLED's oder RECLED's) eingesetzt
werden. Hinsichtlich der Herstellung werden die Kontakte nor
malerweise durch die Fotolithografie auf der Deckfläche bzw.
oberen Fläche festgelegt; andere Herstellungsverfahren wie
etwa die Elektronenstrahllithografie als auch andere geeignete
Verfahren einsetzende Designs können verwendet werden.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird ein Verfahren zum Verbessern der Ausgangsleistung eines
Licht emittierenden Halbleiters geschaffen, wobei ein oben
emittierender Halbleiterlaser mit Bragg-Spiegeln, einem akti
ven Bereich, einem passivierten Bereich, einem Substrat und
einer mit der Elektrode verbundenen Bondungsfläche gebildet
wird, so daß angelegter Strom im aktiven Bereich für eine
erhöhte Ausgangsleistung des Halbleiters konzentriert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wer
den aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verschie
dener Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der beigefügten
Zeichnung ersichtlich. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines VCSEL-Chips ent
sprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht von Fig. 1;
Fig. 3 bis 5 Draufsichten weiterer Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung; und
Fig. 6 einen graphischen Vergleich der Ausgangsleistung einer
Ringelektrode und einer gemusterten Elektrode.
Nachfolgend werden für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen
verwendet.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht
eines vertikalen Oberflächen emittierenden Hohlraumlasers
(VCSEL), welcher im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10
gekennzeichnet ist. Das Substrat der Vorrichtung wird durch
das Bezugszeichen 12 gekennzeichnet. Die Anordnung sieht eine
Reihe von Bragg-Spiegeln 14 benachbart einem Quantenquellen
stapel 16 bzw. "quantum well stack" vor. Eine weitere Reihe
von Bragg-Spiegeln 18 ist den Quellen 16 überlagert. Ein
aktiver Bereich 20 wird durch eine passivierte Fläche 22
umgeben. Diese Elemente sind im Stand der Technik allgemein
bekannt.
Die metallische Bondungsfläche 24 bzw. Anschlußfläche ist auf
der Vorrichtung 10 positioniert. An der Fläche 24 ist eine im
Ausführungsbeispiel gezeigte gemusterte Elektrode 26 be
festigt, welche ein halbkreisförmiges Element mit Vorsprüngen
oder Fingern 28 aufweist. Die Finger sind gleich beabstandet
und nach innen zum aktiven Bereich 20 gerichtet. Die ge
musterte Elektrode 26 ist besonders wirkungsvoll für die
Stromausbreitung im Vergleich zu aus dem Stand der Technik
bekannten VCSEL-Anordnungen.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den VCSEL-Chip 10. Eine pas
sivierte Fläche 22 umgibt die kreisförmige aktive Fläche 20.
Die aktive Fläche ist mit der Bondungsfläche 24 durch die
Elektrode 26 und die Finger 28 elektrisch verbunden.
Die Fig. 3 bis 5 zeigen weitere Variationen in der Ausgestal
tung der Elektrode. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausfüh
rungsbeispiel ist eine Vierergruppe von Elektroden 28 gleich
beabstandet orthogonal angeordnet. Des weiteren liefert jede
Elektrode 28 eine Vielzahl von einzelnen Elektroden unter
schiedlicher Größen in einer (dachziegelartig) übereinander
liegenden Anordnung, welche relativ zur aktiven Fläche 20
koaxial angeordnet sind.
In Fig. 4 umgeben die vorstehenden Elektroden 28 die Elektrode
winkelförmig.
Fig. 5 zeigt eine weitere Variation.
In jedem Zustand wird eine beträchtliche Leistungszunahme rea
lisiert, wenn die gemusterte Elektrode im Vergleich zu den aus
dem Stand der Technik bekannten Ring- oder ringförmigen Anord
nung eingesetzt wird. Die erzeugten Ergebnisse sind in Fig. 6
dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Musterung eine deut
liche Wirkung auf die Energiehandhabung hat.
Bei Betrieb der Vorrichtungen wird Strom auf die gewünschte
Wiese durch das Design der Deckelektrode bzw. oberen Elektrode
injiziert. Durch die Auswahl des Designs bzw. der Gestaltung
für eine gleichförmige Injektion ist es möglich, einen Laser
auszubilden, welcher vorzugsweise im zentralen Teil der akti
ven Fläche lasert. Beträchtliche Vorteile ergeben sich aus
dieser Anordnung und umfassen:
- i) eine Zunahme der Maximalleistung bis zu 20% für eine Vor richtung mit einer kreisförmigen aktiven Fläche mit einem Durchmesser von 56 µm;
- ii) eine erhöhte Faserkopplungseffizienz, da das Lasern der art durchführbar ist, daß es vom zentralen Teil der akti ven Fläche stattfindet;
- iii) das Lasern tritt vorzugsweise im zentralen Teil der Vor richtung weit beabstandet von den Stromsperrschichten mit hoher Deffektdichte statt;
- iv) einen niedrigen Widerstand der Vorrichtung aufgrund einer wirkungsvollen Stromausbreitung;
- v) das Modenmuster kann durch das Elektrodenmuster entweder zu einem stabilen Modenprofil oder zur zentralen Fläche der Vorrichtung, oder beides gesteuert bzw. geregelt wer den;
- vi) eine geringe Variation in der Ausgangsleistung zwischen Vorrichtungen;
- vii) das Design kann durch Fotolithografie ohne hochpräzise Ausrichtung der Elektrodenmaske mit der Maske erzeugt werden, welche (entweder direkt oder indirekt) die Strom blockierung bewirkt. Die Ausrichtung zweier Masken mit im wesentlichen dem gleichen Radius (r1 und r2) ist kri tisch, da der Ausrichtungsfehler mit der Radiusdifferenz für die Kreise (r2-r1) verglichen werden sollte und jeder mit r2-r1 vergleichbare Fehler (normalerweise um 2-3 Mikrons bei oben emittierenden VCSELs) eine sehr schwer wiegende Fehlfunktion bedingt. Kleinere Fehler beeinflus sen auch die Vorrichtungseigenschaften. Für die Ausrich tung der Masken der Erfindung (etwa ein Kreuz anstelle des kleineren Kreises) wird der Ausrichtungsfehler mit dem Radius des Kreises r2 verglichen, welcher für die heute im Handel erhältlichen Vorrichtungen eine Ausrich tungstoleranz vorgibt, welche um ein Vielfaches größer ist.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Ober
flächen emittierenden vertikalen Hohlraumlaser 10 mit verbes
serter Nennbelastbarkeit bzw. Leistungs-Handhabungskapazität.
Der Laser 10 weist eine gemusterte obere Elektrode 26 für ein
gleichförmiges Injizieren von Strom in eine aktive Fläche 20
auf. Der Durchmesser der Elektrode 26 relativ zum vertikalen
Abstand zwischen der Elektrode und der aktiven Fläche 20 wird
durch die Musterung verringert. Im Ergebnis ergibt sich ein
verbesserter Laser 10 mit beträchtlichem Leistungsausgang.
Obgleich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung oben
beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt
und ergeben sich für den Durchschnittsfachmann eine Vielzahl
von Modifikationen, welche Teil der vorliegenden Erfindung
sind, da sie nicht vom Schutzumfang der beanspruchten und
beschriebenen Erfindung abweichen.
Claims (15)
1. Licht emittierende Vorrichtung (10):
mit einem Substrat (12);
mit einer ersten Schicht aus Spiegeln (14);
mit einer aktiven Schicht (20);
mit einem passivierten Bereich (22);
mit einer zweiten Schicht aus Spiegeln (18);
mit einer Bondungsfläche (24); und
mit einer mit der Fläche (24) verbundenen Elektrode (26), welche mit der zweiten Schicht aus Spiegeln (18) elek trisch in Kontakt ist und eine nicht ringförmige Elektrode aufweist, um den angelegten Strom gleichmäßig auf die aktive Schicht (20) zu konzentrieren.
mit einem Substrat (12);
mit einer ersten Schicht aus Spiegeln (14);
mit einer aktiven Schicht (20);
mit einem passivierten Bereich (22);
mit einer zweiten Schicht aus Spiegeln (18);
mit einer Bondungsfläche (24); und
mit einer mit der Fläche (24) verbundenen Elektrode (26), welche mit der zweiten Schicht aus Spiegeln (18) elek trisch in Kontakt ist und eine nicht ringförmige Elektrode aufweist, um den angelegten Strom gleichmäßig auf die aktive Schicht (20) zu konzentrieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Vor
sprünge (28), welche nach innen zur Mitte der aktiven
Schicht (20) verlaufen, um die gleichförmige Stromdichte
in der aktiven Schicht (20) zu erhöhen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Elektrode (26) eine Vielzahl von Vorsprüngen (28) mit
gleichen Abständen aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Vorsprünge (28) koaxial zur aktiven Schicht
(20) sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder Vorsprung 28 eine Vielzahl von
weiteren Vorsprüngen aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (10) einen emittieren
den Mikrohohlraumlaser aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (28) angelegten Strom
auf einen ausgewählten Bereich der aktiven Schicht (20)
konzentrieren.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) durch Fotolitho
grafie ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) durch Elektronen
strahllithografie ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest einer der Spiegel (14, 18)
dielektrisch ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) gemustert ist, um
zumindest das optische Modenmuster oder die Polarisierung
zu verbessern.
12. Verfahren zum Verbessern der Ausgangsleistung eines Licht
emittierenden Halbleiters, mit den Schritten:
Versehen eines oben emittierenden Halbleiterlasers mit Bragg-Spiegeln (14, 18), einer aktiven Schicht (20), einem passivierten Bereich (22), einem Substrat (12) und einer Bondungsfläche (24); und
Ausbilden einer nicht kreisförmigen Elektrode (26) benach bart dem aktiven Bereich (20), wobei angelegter Strom im aktiven Bereich (20) konzentriert wird, um die Ausgangs leistung des Halbleiters zu erhöhen.
Versehen eines oben emittierenden Halbleiterlasers mit Bragg-Spiegeln (14, 18), einer aktiven Schicht (20), einem passivierten Bereich (22), einem Substrat (12) und einer Bondungsfläche (24); und
Ausbilden einer nicht kreisförmigen Elektrode (26) benach bart dem aktiven Bereich (20), wobei angelegter Strom im aktiven Bereich (20) konzentriert wird, um die Ausgangs leistung des Halbleiters zu erhöhen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den
Schritt: Ausbilden der Elektrode (26) mit zumindest einem
Vorsprung (28), um den angelegten Strom zum aktiven
Bereich (20) zu richten.
14. Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch den
Schritt: Vorsehen einer Vielzahl von Elektroden, welche
zum aktiven Bereich (20) koaxial ausgerichtet sind.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrode (26) gemustert ist, um
zumindest das optische Modenmuster oder die Polarisierung
zu verbessern.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB9802049A GB2333896B (en) | 1998-01-31 | 1998-01-31 | Vertical cavity surface emitting laser |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19903355A1 true DE19903355A1 (de) | 1999-09-09 |
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Family Applications (1)
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DE19903355A Ceased DE19903355A1 (de) | 1998-01-31 | 1999-01-28 | Vertikaler Oberflächen emittierender Hohlraumlaser |
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FR (1) | FR2774518B1 (de) |
GB (1) | GB2333896B (de) |
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