DE19903355A1 - Vertikaler Oberflächen emittierender Hohlraumlaser - Google Patents

Vertikaler Oberflächen emittierender Hohlraumlaser

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DE19903355A1
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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.
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.
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.
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.
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