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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen oberflächenemittierenden Laser mit
vertikaler Kavität
(VCSEL), der eine oder mehrere Quantenpotentialtopfschichten und
eine erste und eine zweite Spiegeleinrichtung, die dazwischen eine
Laserkavität
definieren, umfasst.
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Ein
VCSEL ist eine Halbleiterlasereinrichtung, die eine oder mehrere
Halbleiterschichten aufweist, die eine geeignete Bandlückenstruktur
aufweisen, um Licht im gewünschten
Wellenlängenbereich
senkrecht zu der einen oder mehreren Halbleiterschichten auszusenden.
Typischerweise liegt die Dicke einer entsprechenden Halbleiterschicht
im Bereich von einigen Nanometern. Im Falle eines Lasers mit mehreren
Quantenpotentialtöpfen
bestimmen die Dicke und die Verformung, die während der Herstellung des Stapels
aus Halbleiterschichten, die abwechselnd eine unterschiedliche Bandlücke aufweisen,
erzeugt wird, die Lage der Energieniveaus in den Quantenpotentialtöpfen in
den Leitungsbändern
und den Valenzbändern,
die durch den Schichtstapel definiert sind. Die Lage der Energieniveaus
definiert die Wellenlänge
der Strahlung, die durch Rekombination eines Elektron-Loch-Paares
abgestrahlt wird, die in den entsprechenden Quantenpotentialtöpfen eingeschlossen
sind. Im Gegensatz zu kantenemittierenden Halbleiterleiterlasern
verläuft
der Stromfluss und die Lichtausbreitung in einer vertikalen Richtung
in Bezug auf die Halbleiterschichten. Über und unter den Halbleiterschichten
sind entsprechende Spiegel vorgesehen, die auch als Oberseitenspiegel
und Unterseitenspiegel bezeichnet werden, wobei die Begriffe „Oberseite" und „Unterseite" austauschbar sind,
und bilden einen Resonator, um eine optische Kavität zu definieren.
Die von dem Resonator erzeugte Laserstrahlung wird durch denjenigen
Spiegel ausgekoppelt, der die geringere Reflektivität aufweist.
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Obwohl
die VCSEL eine relativ geringe Ausgangsleistung auf Grund ihrer
kleinen Laserkavität
aufweisen, gewinnen die VCSEL ständig
in einer Vielzahl technischer Gebiete an Bedeutung, da VCSEL-Bauelemente
zahlreiche Vorteile im Vergleich zu einer konventionellen Laserdiode
mit Doppelheterostruktur, die auch als kantenemittierende Laser
bezeichnet werden, aufweisen. Erstens, kann eine große Anzahl
von VCSEL-Bauelementen auf dem Ausgangssubstrat hergestellt und
darauf vollständig
getestet werden, so dass eine deutliche Verringerung der Herstellungskosten im
Vergleich zu kantenemittierenden Laser erreicht wird. Zweitens, das
Gesamtvolumen eines einzelnen VCSEL-Bauelements ist um einen Faktor
von ungefähr
10 bis 100 im Vergleich zu der Laserdiode mit Doppelheterostruktur
verringert. Drittens, auf Grund des äußerst geringen Volumens des
Verstärkungsgebiets,
das in der vertikalen Richtung durch die Dicke der Halbleiterschichten
mit abwechselnd unterschiedlicher Bandlücke definiert ist, liegt der
Strom für
das Betreiben des VCSEL-Bauelements in einem Bereich von wenigen
Milliampere, wodurch eine hohe Effizienz der Umwandlung von Strom
in Licht erreicht wird. Viertens, ein VCSEL-Bauelement zeigt eine
relativ geringe Strahldivergenz, was eine hohe Kopplungseffizienz
zu anderen optischen Komponenten, etwa Glasfasern, erlaubt, ohne
dass zusätzliche
bündelnde
optische Elemente erforderlich sind.
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Um
den Vorteil eines relativ geringen Verstärkungsvolumens von VCSEL-Bauelementen
vollständig auszuschöpfen, müssen die
Spiegel, die die Laserkavität
definieren und für
gewöhnlich
in Form von Bragg-Spiegeln vorgesehen sind, eine hohe Reflektivität auf Grund
der kleinen optischen Länge
des Verstärkungsvolumens
aufweisen, da die Resonatorverluste umgekehrt proportional zur Resonatorlänge sind,
und eine gute elektrische Leitfähigkeit
zeigen, da zumindest ein Teil des eingeführten Stromes durch den Schichtstapel
des Bragg-Spiegels geführt
wird; ferner müssen
sie einen geringen thermischen Widerstand aufweisen, um die in den
Verstärkungsgebiet
erzeugte Wärme
an den Rand des VCSEL-Bauelements zu führen. Gegenwärtig ist
eine große
Vielzahl von VCSEL-Bauelementen, die auf einem Galliumarsenid- (GaAs)
Substrat mit auf Galliumarsenid-Aluminiumarsenid (GaAs/AlAs) basierenden
Bragg-Spiegeln gebildet sind, käuflich
erhältlich,
wobei die Bragg-Spiegel im Wesentlichen die oben genannten Kriterien
erfüllen.
Diese kommerziell verfügbaren
VCSEL-Bauelemente sind so ausgebildet, um in einem Wellenlängenbereich
von ungefähr
850 bis 980 nm zu arbeiten. Laserbauelemente, die in diesem Wellenlängenbereich
arbeiten, sind für
eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, zu denen Anwendungen und
Datenkommunikationssysteme mit kurzen Strecken gehören. Zur
Verwendung von VCSEL-Bauelementen in Verbindung mit Glasfaserkabeln
für Langstreckenverbindungen
muss die Arbeitswellenlänge
der VCSEL-Bauelemente auf ungefähr
1,3 bis 1,55 μm
erhöht
werden, da die typischerweise eingesetzten Glasfasern ihr Dispersionsminimum
bzw. ihr Absorptionsminimum bei einer Wellenlänge von 1,3 μm bzw. 1,55 μm aufweisen.
Eine Modifizierung der standardmäßigen VCSEL-Bauelemente,
die in dem Wellenlängenbereich
unter einem Mikrometer arbeiten, zur Anpassung an den erforderlichen
langen Wellenlängenbereich
ist jedoch keine naheliegende Entwicklung, da die Ausbildung geeigneter definierter
Quantenpotentialtöpfe
mit Materialien, die an GaAs-Gitter angepasst sind, eine äußerste verformte Halbleiterschicht
erfordern, wodurch die VCSEL-Bauelemente unzuverlässig werden.
Deshalb werden üblicherweise
verwendete Halbleiterverbindungen, die eine Gitteranpassung zu Indiumphosphid
aufweisen, für Halbleiterlaserbauelemente
eingesetzt, die bei einer Wellenlänge von 1,3 bis 1,55μm arbeiten,
wobei jedoch die komplexe Technologie, die für GaAs-basierte Substrate entwickelt
ist, nicht direkt auf VCSEL-Bauelemente auf Indiumphosphid (InP)
Basis übertragen
werden kann.
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Angesichts
der oben erkannten Probleme wurden große Anstrengungen unternommen,
um ein VCSEL-Bauelement zu verwirklichen, das in dem langen Wellenbereich
arbeitet und eine relativ hohe Ausgangsleistung in Verbindung mit
einer guten Temperaturstabilität
zeigt. Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen einige schwierige Probleme
gelöst
werden.
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Zunächst weisen
traditionelle Materialien auf Indiumphosphidbasis, die als ein Verstärkungsgebiet
in einem VCSEL-Bauelement mit großer Wellenlänge verwendet werden, keinen
ausreichenden Unterschied im Brechungsindex auf, um die Herstellung
gut reflektierender verteilter Bragg-Reflektoren zu ermöglichen,
die für
den korrekten Betrieb des VCSEL-Bauelements erforderlich sind. Auf
Grund des reduzierten Volumens des Verstärkungsgebiets des Resonators
in Verbindung mit Spiegeln mit nicht ausreichender Reflektivität ist ein erhöhter Arbeitsstrom
erforderlich, um eine stimulierte Emission zu erreichen. Es wird
daher bis jetzt lediglich ein gepulster Betrieb bei Raumtemperatur
erreicht.
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Zweitens,
die Photonenabsorption durch freie Ladungsträger, d. h. durch Ladungsträger, die
sich „frei" in dem Leitungsband
oder dem Valenzband bewegen können,
steigt mit der Wellenlänge
der Photonen sowie mit der Ladungsträgerkonzentration an. Insbesondere
sind in einem Halbleiterlaser relativ hohe Ladungsträgerkonzentrationen
erforderlich, die in Verbindung mit der längeren Wellenlänge der
Photonen daher die maximal erreichbare Spiegelreflektivität auf Grund
der erhöhten
Absorption der Halbleiterschichten, die die Bragg-Reflektoren bilden,
begrenzt.
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Drittens,
wie von kantenemittierenden Lasern bekannt ist, besitzt GaInAsP
(Gallium/Indium/Arsen/Phosphor) ein schlechteres Verhalten der Verstärkung in
Abhängigkeit
der Temperatur im Vergleich zu einem Verstärkungsgebiet auf GaAs-Basis auf
Grund eines geringeren Ladungsträgereinschlusses
und einer erhöhten
Auger-Rekombination.
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Um
diese technologischen Schwierigkeiten zu überwinden, wurden zwei Vorgehensweisen
vorgeschlagen. Die erste Vorgehensweise beinhaltet Hybridstrukturen,
die Verstärkungsgebiete
und Spiegel auf InGaAs/InP oder InGaAs/InGaAlAs- Basis als Quantenpotentialtöpfe/Barrieren
verwenden, die durch Abscheiden von Dielektrika oder durch Aufwachsen
von Halbleitermaterialien durch Epitaxie gebildet werden. Zur Zeit werden
die am vielversprechendsten VCSEL-Bauelemente mit großer Wellenlänge durch Scheibenfusion einer
Scheibe, die ein InGaAsP-Verstärkungsgebiet
aufweist, und einer Scheibe, die verteilte Bragg-Reflektoren auf AlGaAs-Basis aufweist,
hergestellt. Die Scheibenfusionstechnik erfordert jedoch mehrere
Substrate und ist nur mit großen
Schwierigkeiten auf der Grundlage vollständiger Scheiben zu erreichen.
Daher ist es äußerst schwierig,
einen zuverlässigen
Herstellungsprozess auf der Grundlage dieser Technologie zu etablieren.
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In
der zweiten Vorgehensweise wird die Herstellung einer vollständigen VCSEL-Struktur
in einem einzelnen epitaktischen Wachstumsschritt vorgeschlagen.
Zu diesem Zwecke wurden neue Materialien, die für das Aussenden von großen Wellenlängen geeignet
sind, direkt auf einem GaAs-Substrat aufgewachsen, so dass verteilte
AlGaAs-Bragg-Reflektoren
in Verbindung mit diesen neuen Materialien, die das Verstärkungsgebiet
bilden, verwendet werden können.
Es wurde eine Emission bei 1,3 μm
mit GaInNAs, GaAsSb-Quantenpotentialtöpfen und InGaAs-Quantenpunktbereichen
gezeigt. Es wurden vielversprechende Potentialtöpfe erhalten, wobei verteilte
Bragg-Reflektoren auf Wismut-Basis verwendet wurden, die von der
Gitterstruktur her an Indiumphosphid angepasst sind.
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In „Elektrisch
gepumpte Einzel-Epitaxie-VCSEL bei 1,55 μm mit Spiegeln auf Sb-Basis" von E. Hall et al.,
Elektronics Letters, 5. August 1999, Band 35, Nr. 16, Seiten 1337
und folgende, wird ein elektrisch gepumpter Laser mit vertikaler
Kavität
auf Sb-Basis, der bei 1,55 μm
arbeitet, offenbart, der in einem einzelnen epitaktischen Wachstumsprozess
hergestellt wird. Diese VCSEL-Bauelement umfasst AlGaAsSb-Spiegel
und ein Verstärkungsgebiet
auf AlInGaAs-Basis und zeigt eine Schwellwertstromdichte von 1,4
kA/cm2, d. h. ungefähr 7 Milliampere bei Raumtemperatur.
Dieser Wert wurde durch einen gepulsten Betrieb des VCSEL-Bauelements
erreicht, wobei der Schwellwertstrom auf ungefähr 15,5 Milliampere bei einer
maximalen Betriebstemperatur von 45°C anstieg.
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Bei
höheren
Strömen
zeigte das VCSEL-Bauelement ein starkes Mehrfachmodenverhalten.
Auf Grund des relativ hohen Spannungsabfalls an den verteilten Bragg-Reflektoren
und auf Grund einer geringeren Mode-Verstärkungs-Anpassung war ein kontinuierlicher Betrieb
dieses Bauelements nicht möglich.
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In
Anbetracht der obigen Ausführungsformen
ist es daher wünschenswert,
ein VCSEL-Bauelement herzustellen,
das in einem langen Wellenlängenbereich
bei erhöhten
Temperaturen, die deutlich über
der Raumtemperatur liegen, arbeitet und das auch in einem kontinuierlichen
Betrieb zu betreiben ist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch einen oberflächenemittierenden
Laser mit vertikaler Kavität
erreicht, der umfasst: eine oder mehrere Quantenpotentialtopfschichten
und eine oder mehrere Barrierenschichten, um ein Laserverstärkungsgebiet
mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche zu definieren, eine erste
Spiegeleinrichtung und eine zweite Spiegeleinrichtung, wobei die
erste und die zweite Spiegeleinrichtung einen Resonator definieren.
Der oberflächenemittierende
Laser mit vertikaler Kavität
zeichnet sich dadurch aus, dass dieser ferner eine erste Indiumphosphidschicht
benachbart zu dem Verstärkungsgebiet
und eine zweite Indiumphosphidschicht benachbart zu dem Verstärkungsgebiet
aufweist, wobei die erste und die zweite Indiumphosphidschicht das
Verstärkungsgebiet
einschließen,
um eine Laserkavität
zu definieren.
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In
konventionellen Laserdioden mit Doppelheterostruktur ist das Quantenpotentialtropfgebiet
in Materialien mit einem größeren Brechungsindex
als die umgebenden Hüllschichten
eingebettet, um einen transversalen dielektrischen optischen Wellenleiter
zu bilden, dessen optische Achse entlang der Längsrichtung ausgerichtet ist.
Herkömmlicherweise
wird die gleiche Sequenz der Materialschichten, die das Quantenpotentialtopfgebiet
bilden, auch bei VCSEL-Bauelementen angewendet. Im Gegensatz zu
der transversalen Lichtausbreitung in einem kantenemittierenden
Laser geschieht in einem VCSEL jedoch die Lichtausbreitung im Wesentlichen
senkrecht zu den Materialschichten, so dass die Wellenleiterfunktion,
die von den Materialschichten mit nach außen kleiner werdendem Brechungsindex
in der transversalen Richtung bereitgestellt wird, eigentlich nicht
erforderlich. Daher kann ein Material mit kleinem Brechungsindex
in die vertikale Kavität
des VCSEL-Bauelements eingebracht werden, wie dies bereits bei VCSEL-Bauelementen
auf AlGaAs-Basis gezeigt wurde. In diesem bekannten Materialsystem
muss jedoch AlAs benutzt werden, wodurch diverse Nachteile hinsichtlich
der elektrischen Leitfähigkeit,
technologischer Probleme bei der Herstellung hochqualitativer Materialien
und damit der Zuverlässigkeit
verbunden sind. Im Gegensatz dazu stellt die vorliegende Erfindung eine
Laserkavität
mit einem InP-Gebiet bereit, das das Verstärkungsgebiet und mögliche Barrierenschichten einschließt. Folglich
wird durch die erfindungsgemäße Laserkavität die Verwendung
eines Materials mit kleinem Brechungsindex ermöglicht, um dadurch die relative
Intensität
des elektrischen Feldes an der Stelle der Quantenpotentialtopfschichten
zu erhöhen,
was sich wiederum direkt auf die Rate der stimulierten Emission auswirkt.
Somit kann eine verbesserte Photonenerzeugungsrate im Vergleich
zu einer konventionellen Gestaltung der Kavität erreicht werden.
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Ferner
liefern die erste und die zweite Indiumphosphidschicht, die benachbart
zu dem Verstärkungsgebiet
angeordnet sind, eine deutlich verbesserte thermische Leitfähigkeit.
Insbesondere bei einer großen Wellenlänge mit
beispielsweise Wellenlängen
von 1,3 bis 1,55 μm
sind nicht strahlende Auger-Rekombinationen dominierend und die
durch die Quantenpotentialtröpfe
erreichte Verstärkung
wird stark durch einen Temperaturanstieg beeinflusst. Da Indiumphosphid
eine thermische Leitfähigkeit
von ungefähr
0,68 W/mK aufweist, kann die in dem Verstärkungsgebiet erzeugte Wärme effizient
an den Rand des Bauelements abgeführt werden. Dieser durch die
vorliegende Erfindung bereitgestellte Vorteil gewinnt noch weiter
an Bedeutung, da lediglich Legierungen aus drei oder vier Stoffen
mit Gitteranpassung an ein Substrat auf Indiumphosphidbasis gebildet
werden können,
wobei in konventionellen Bauelementen die wesentliche Beschränkung durch
die Schichten mit mehreren Legierungen auf Grund ihrer geringen
thermischen Leitfähigkeit
herrührt,
die direkt von der Anzahl der unterschiedlichen Atome in dem Gitter
abhängig
ist. Insbesondere die verteilten Bragg-Reflektoren mit Legierungen
aus vier Stoffen, die auf Indiumphosphid aufgewachsen sind, wirken
als Wärmebarrieren,
die die Wärmeabfuhr
mittels des Wärmesenkensubstrats,
das an dem VCSEL-Bauelement angebracht ist, deutlich beeinträchtigen.
Im Gegensatz dazu ermöglichen
erfindungsgemäß die binären Indiumphosphidschichten
in der Laserkavität
einen wirksamen Wärmetransport
zum Rand, wodurch die verteilten Bragg-Reflektoren wirkungsvoll
umgangen werden, die ansonsten als Wärmebarrieren wirken.
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Bekanntlich
ist die korrekte Justierung der Energiebänder der diversen Halbleiterschichten,
die das VCSEL-Bauelement definieren, eine überaus kritische Angelegenheit
beim Erreichen eines Betriebs bei geringer Spannung und einer effizienten
Stromeinprägung.
Für diesen
Zweck repräsentieren
der Offset des Leitungsbandes und des Valenzbandes die wesentlichen
Parameter und sollten auf ausreichend kleine Werte festgelegt werden.
Die Indiumphosphidschichten in dem erfindungsgemäßen VCSEL-Bauelement zeigen
eine geringe Bandfehlanpassung zu den Materialsystemen mit AlGaInAs,
AlGaAsSb und InGaAsP, wobei andererseits eine ausreichend große Bandlücke existiert,
so dass diese Materialsysteme wirksam in verteilten Bragg-Reflektoren
eingesetzt werden können.
Ferner liefert undotiertes Indiumphosphid eine sehr hohe Ladungsträgerbeweglichkeit;
eine typische Elektronenbeweglichkeit liegt beispielsweise bei 5370
cm2/Vs bei 300 K und eine typische Löcherbeweglichkeit
liegt bei 150 cm2/Vs bei 300 K. Diese hohen
Werte führen
zu einem langen Diffusionsweg der Ladungsträger in den undotierten Indiumphosphidschichten,
so dass die Ladungsträgerinjektionseffizienz,
d. h. der Anteil der Ladungsträger,
der in das VCSEL-Bauelement eingeführt und tatsächlich das
Verstärkungsgebiet
erreicht, in wirksamer Weise erhöht
wird.
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Ein
weiteres Problem von Quantentopfstrukturen ist das Durchdringen
von Ladungsträgern
durch die Barrierenschichten, die eine Quantenpotentialtopfschicht
von einer nachfolgenden Quantenpotentialtopfschicht trennen, oder
das Verstärkungsgebiet
von der restlichen optischen Kavität abtrennen. Insbesondere bei
einer höheren
Temperatur und bei einer höheren
Ladungsträgerdichte
wird das Laserleistungsverhalten auf Grund ansteigender Leckströme durch
die Barrierenschichten beeinträchtigt.
Die Elektronen mit ihrer geringen effektiven Masse erfordern einen
stärkeren
Einschluss in die Quantenpotentialtopfschichten als die Löcher. Gemäß der Erfindung,
wie sie im Anspruch 1 definiert ist, führen die erste und die zweite
Indiumphosphidschicht als Barrieren für beispielsweise Verstärkungsgebiete
mit geringer Bandlücke
dienen, die durch GaInAs (Gallium/Indium/Arsen), AlGaInAs (Aluminium/Gallium/Indium/Arsen),
oder InGaAsP (Indium/Gallium/Arsen/Phosphor) gebildet sind, zu einem
effizienteren Elektroneneinschluss als dies für konventionelle InGaAsP-Systeme
möglich
ist, wodurch deutlich der Elektronenleckstrom durch die Barrierenschicht
verringert wird.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung betrifft die Herstellung
des VCSEL-Bauelements
mit großer
Wellenlänge.
Konventionellerweise wird das Indiumphosphidmaterial epitaktisch
im Wesentlichen ohne Defekte und mit einer guten Zuverlässigkeit
durch überlicherweise
angewendete Halbleiterepitaxietechniken, etwa Dampfphasenepitaxie
mit metallorganischen Stoffen, Molekularstromepitaxie, Dampfphasenepitaxie
und dergleichen aufgewachsen. Während
der Herstellung der verteilten Bragg-Reflektoren kann sich jedoch
ein nicht vernachlässigbarer
Betrag an Verformung in den epitaktischen Schichten auf Grund einer
geringen Gitterfehlanpassung aufsummieren. Erfindungsgemäß wird diese
Verformung, die das Verhalten konventioneller Bauelemente nachteilig
beeinflussen kann, deutlich verringert, indem Indiumphosphid als
das Laserkavitätsmaterial
verwendet wird, um damit einen großen Betrag an Verformung zu
absorbieren. Ferner ist gut bekannt, dass das Wachstum eines vollständigen VCSEL-Bauelements
auf Indiumphosphidbasis mit Systemen mit vier Stoffen ein äußerst kritischer
Prozess auf Grund der großen
Anzahl von Wachstumsparametern ist, die die Herstellung des gesamten
Struktur beeinflussen. Daher begünstigt
das Einführen
von Indiumphosphid als ein binäres
Material während
des Wachsens des VCSEL die Gitteranpassung nachfolgender Schichten
in wirksamer Weise.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das VCSEL-Bauelement eine oder mehrere Quantenpotentialtopfschichten,
die so gestaltet sind, dass sie Energieeigenwerte zum Erzeugen einer
Strahlung im Wellenlängenbereich
von ungefähr
1000 nm bis 2000 nm aufweisen.
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Wie
zuvor dargestellt ist, kann ein Laserbauelement, das in den oben
genannten Wellenlängenbereich arbeitet,
vorteilhafterweise in optischen Kommunikationssystemen eingesetzt
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsformen
umfasst das VCSEL-Bauelement Quantenpotentialtopfschichten, die
so gestaltet sind, dass diese Energieeigenwerte zum Erzeugen einer
Strahlung im Wellenlängenbereich
von ungefähr
1300 bis 1600 nm aufweisen.
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Insbesondere
dieser Wellenlängenbereich
ermöglicht
es, dass das erfindungsgemäße VCSEL-Bauelement
in Verbindung mit konventionell gestalteten Glasfasern eingesetzt
wird, die eine minimale Dispersion und eine minimale Absorption
bei einer Wellenlänge
von ungefähr
1300 nm bzw. 1550 nm aufweisen.
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Vorzugsweise
sind die erste und die zweite Spiegeleinrichtung so positioniert,
um einen Resonator zu definieren, um damit die Strahlung mit einer
Wellenlänge
von ungefähr
1300 nm oder von ungefähr
1550 nm zu stabilisieren.
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Wie
zuvor dargestellt ist, sind diese beiden Wellenlängen die gegenwärtig bevorzugten
Wellenlängen in
optischen Datenkommunikationssystemen, in denen Glasfasern eingesetzt
sind.
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Im
Anspruch 1 beträgt
eine optische Dicke der Laserkavität in der Längsrichtung ungefähr (n+1/2) × λ, wobei n
eine ganze Zahl und λ die
ungefähre
Ausgangswellenlänge
des VCSEL-Bauelements ist.
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Durch
Herstellen der Laserkavität
mit einer optischen Länge
von ungefähr
(n + ½) × λ, die im
Wesentlichen aus Indiumphosphidschichten aufgebaut ist, die die
in der Mitte der Kavität
angeordneten Quantenpotentialtopfschichten umgeben, wird die relative
Intensität
des elektrischen Feldes innerhalb der Laserkavität an der Stelle der Quantenpotentialtopfschichten
deutlich erhöht.
Wie in der folgenden Beschreibung ausführlicher erläutert wird,
begünstigt
die Anwendung einer (n + ½) × λ – Laserkavität mit einem
relativ geringen Brechungsindex auf Grund der ersten und der zweiten
Indiumphosphidschicht ein hohes elektrisches Feld in den Quantenpotentialtopfschichten
im Vergleich zu den benachbarten Intensitätsspitzenwerten des elektrischen
Feldes an den Übergangsbereichen
von hohem zu kleinem Brechungsindex des ersten und des zweiten Spiegels.
Im Gegensatz dazu wird durch die Verwendung von Materialschichten
mit hohem Brechungsindex in der Laserkavität die Amplitude der Intensitätsspitzen
des elektrischen Feldes gleichförmiger
zwischen den Quantenpotentialtopfschichten, die in der Mitte der
Kavität
angeordnet sind, und den ersten Übergangsbereichen
von hohem Brechungsindex zu kleinem Brechungsindex der verteilten
Bragg-Reflektoren verteilt. Somit wird eine deutlich geringere effiziente
stimulierte Emissionsrate in den Quantenpotentialtropfschichten
und damit eine deutlich geringere Verstärkung erreicht. In konventionellen
VCSEL-Bauelemente, in denen Schichten mit hohem Brechnungsindex
in der Laserkavität
verwendet werden, wird dieses Problem noch verschärft, da
in bekannten Lasereinrichtungen eine (n × λ) – Kavität überlicherweise verwendet wird,
woraus sich ein elektrisches Feld an den zentral liegenden Quantenpotentialtopfschichten
ergibt, das eine geringere Intensität aufweist als das elektrische
Feld, das an den Rändern
der Kavität
vorherrscht.
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Ein
weiterer Vorteil des Gestaltens der Laserkavität derart, dass diese eine optische
Länge von
ungefähr
(n + ½) × λ aufweist,
besteht darin, dass eine minimale Intensität des elektrischen Feldes an
der Grenzfläche
zwischen der Laserkavität
und dem ersten und dem zweiten Spiegel vorherrscht. Wenn der erste
und der zweite Spiegel an der Laserkavität durch Scheibenfusion angebracht
sind, werden auf Grund des Minimums der Intensität des elektrischen Feldes die
Auswirkungen von Verlusten, die an dem verschweißten Übergangsgebiet vorhanden sein
könnten,
minimiert, und daher wird das Verhalten und die Zuverlässigkeit
des verschweißten
VCSEL-Bauelement deutlich verbessert.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das VCSEL-Bauelement ferner ein Substrat, das die Quantenpotentialtopfschichten,
die Laserkavität
und die erste und die zweite Spiegeleinrichtung trägt. Das
Beibehalten eines Substrats, auf dem das VCSEL-Bauelement hergestellt wird, stellt
eine erhöhte
mechanische Stabilität
sicher.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Substrat im Wesentlichen ein Indiumphosphidsubstrat.
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In
diesem Falle können
die Quantenpotentialtropfschichten auf Indiumphosphidbasis und die
erste und die zweite Indiumphosphidschicht in der Laserkavität einfacherweise
in einer an das Gitter angepassten Weise hergestellt werden, wodurch
die Verformung in den diversen Materialschichten minimiert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist das Substrat im Wesentlichen ein Galliumarsenidsubstrat, das es
ermöglicht,
verteilte Bragg-Reflektoren auf AlGaAs-Basis wie in konventionellen
Bauelementen aufzuwachsen.
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In
einer Ausführungsform
werden die eine oder mehreren Quantenpotentialtopfschichten aus
einer Materialzusammensetzung mit Indium, Gallium und Arsen hergestellt.
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Wie
später
erläutert
ist, können
Quantenpotentialtöpfe
mit Indium, Gallium und Arsen vorteilhafterweise auf einem Indiumphosphidsubstrat
oder einem GaAs-Substrat aufgewachsen werden, und diese Art eines Quantenpotentialtropfes
kann in einfacher Weise mit Schichtpaaren mit hohem Brechungsindex/kleinem
Brechungsindex zur Herstellung eines verteilten Bragg-Reflektors
als eine monolithische Struktur kombiniert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Materialzusammensetzung der einen oder mehreren Quantenpotentialtopfschichten
Aluminium, um Eigenschaften der Quantenpotentialtropfschichten entsprechend
den Entwurfserfordernissen einzustellen.
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Durch
Hinzufügen
von Aluminium zu den Quantenpotentialtropfschichten können entsprechende
Eigenschaften der Quantenpotentialtopfschichten, etwa Brechungsindex
und elektronische Eigenschaften, gesteuert werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Materialzusammensetzung Phosphor, um Eigenschaften der
Potentialtopfschichten entsprechend den Entwurfserfordernissen einzustellen.
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Hier
können
ebenso optische und elektronische Eigenschaften der Quantenpotentialtopfschichten durch
Hinzufügen
von Phosphor zu der Quantenpotentialtopfschicht gesteuert werden.
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Vorzugsweise
umfasst das VCSEL-Bauelement ein Paar Barrierenschichten, die so
angeordnet sind, um die eine oder mehreren Quantenpotentialtopfschichten
einzuschließen.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die Barrierenschicht Indiumphosphid oder eine Verbindung
aus Indium, Gallium, Aluminium, Arsen oder eine Verbindung aus Indium,
Gallium, Arsen, Phosphor.
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Diese
Materialzusammensetzungen liefern eine effiziente Gitteranpassung
an die erste und zweite Indiumphosphidschicht in der Laserkavität.
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Vorzugsweise
umfasst die erste und/oder die zweite Spiegeleinrichtung Schichten
mit niedrigem Brechungsindex und hohem Brechungsindex in abwechselnder
Weise.
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Wie
zuvor erwähnt
ist, unterstützt
das Vorsehen verteilter Bragg-Reflektoren in der ersten und der zweiten
Spiegeleinrichtung das Erreichen einer hohen Reflektivität für die erste
und die zweite Spiegeleinrichtung, um damit eine große wirksame
optische Länge
des Resonators zu erreichen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weisen die Schichten mit kleinem Brechungsindex Indiumphosphid oder
eine Verbindung aus Indium, Aluminium, Arsen, oder eine Verbindung
aus Aluminium, Arsen, Wismut, oder eine Verbindung aus Aluminium,
Phosphor, Wismut auf.
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Somit
können
die Schichten mit kleinem Brechungsindex, die die verteilten Bragg-Reflektoren bilden, in
einfacher Weise auf einem Indiumphosphidsubstrat oder in einer Laserkavität auf Indiumphosphidbasis
hergestellt werden.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform
umfasst die Schicht mit kleinem Brechungsindex zusätzlich Gallium,
um die Eigenschaften entsprechend den Entwurfserfordernissen einzustellen.
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Durch
Hinzufügen
von Gallium können
sowohl optische als auch elektronische Eigenschaften der Schichten
mit kleinem Brechungsindex entsprechend den Eigenschaften, die für ein optimales
Verhalten des VCSEL-Bauelements erforderlich sind, eingestellt werden.
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In
einer Ausführungsform
weisen die Schichten mit kleinem Brechungsindex Aluminiumarsenid
auf. Gemäß dieser
Ausführungsform
können
standardmäßige Prozesse,
die für
VCSEL-Bauelemente mit Bragg-Reflektoren für Ausgangswellenlängen im
Bereich von 700 bis 980 nm entwickelt wurden, in effizienter Weise
an das erfindungsgemäße VCSEL-Bauelement
angepasst werden.
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In
einer Ausführungsform
weisen die Schichten mit kleinem Brechungsindex zusätzlich Gallium
auf, um die Eigenschaften entsprechend den Entwurfserfordernissen
einzustellen.
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Folglich
können
die optischen Eigenschaften sowie das Halbleiterverhalten der Schichten
mit kleinem Brechungsindex in geeigneter Weise durch Hinzufügen von
Gallium eingestellt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthalten die Schichten mit hohem Brechungsindex eine Verbindung
aus Indium, Gallium, Aluminium, Arsen, oder eine Verbindung aus
Indium, Gallium, Arsen, Phosphor, oder eine Verbindung aus Aluminium,
Gallium, Arsen, Wismut, oder eine Verbindung aus Aluminium, Gallium, Phosphor,
Wismut.
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Wie
im Falle der Schichten mit kleinem Brechungsindex können gemäß dieser
Ausführungsform
die Schichten mit großem
Brechungsindex auf einem Indiumphosphidsubstrat oder in einer Laserkavität auf Indiumphosphidbasis
hergestellt werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthalten die Schichten mit großem
Brechungsindex eine Zusammensetzung aus Gallium und Arsen.
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Wiederum
können
gemäß dieser
Ausführungsform
die gut etablierten Verfahren für
verteilte Bragg-Reflektoren auf der Basis von Galliumarsenid bei
der Herstellung des erfindungsgemäßen VCSEL-Bauelements eingesetzt
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthalten die Schichten mit großem
Brechungsindex zusätzlich Aluminium,
um Eigenschaften entsprechend den Entwurfserfordernissen einzustellen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Schichten mit kleinem Brechungsindex und die Schichten mit
großem
Brechungsindex aus dielektrischen Materialien hergestellt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
enthalten die Schichten mit großem
Brechungsindex Tantaloxid, Zinkselenid, Titandioxid oder amorphes
Silizium.
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Des
weiteren können
die Schichten mit kleinem Brechungsindex Magnesiumfluorid, Kalziumfluorid, Strontiumfluorid,
Silika oder Aluminiumoxid aufweisen.
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Gemäß den oben
angeführten
Ausführungsformen,
in denen dielektrische Materialien verwendet werden, können die
optischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Spiegels so optimiert
werden, um die erforderliche hohe Reflektivität mit einer minimalen Anzahl
an Schichten zu erreichen.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
umfasst das VCSEL-Bauelement ferner eine oder mehrere Wärmeverteilungsschichten,
die Wärme
von den Quantanpotentialtopfschichten transversal zum Rand des VCSEL-Bauelements
führen.
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Das
Vorsehen von Wärmeverteilungsschichten
verbessert in wirksamer Weise die Effizienz des Laserbauteils und
liefert zusätzlich
eine erhöhte
Stabilität
und eine größere Zuverlässigkeit
während
des Betriebs des Bauteils.
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In
einer Ausführungsform
ist mindestens eine Wärmeverteilungsschicht
benachbart zu der Laserkavität
ausgebildet. Dies stellt eine effiziente Wärmeleitung von Laserkavität zum Rand
des Bauteils sicher.
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In
einer Ausführungsform
enthalten die eine oder mehreren Wärmeverteilungsschichten Indiumphosphid.
Wie zuvor erläutert
ist, weist Indiumphosphid eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass Indiumphosphidschichten
in wirksamer Weise als Wärmeverteilungsschichten
verwendet werden können.
Insbesondere die erste und die zweite Indiumphosphidschicht in der
Laserkavität
leiten in wirksamer Weise die Wärme,
die in der Mitte des VCSEL-Bauelements durch die Quantenpotentialtopfschichten
erzeugt wird, zu dem Rand des Bauteils, und ermöglichen damit einen zuverlässigen Dauerbetrieb
(CW) des Bauteils.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform
sind eine oder mehrere Wärmeverteilungsschichten
in der ersten Spiegeleinrichtung und/oder in der zweiten Spiegeleinrichtung
vorgesehen.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
können
Schwankungen der optischen Eigenschaften der ersten und/oder der
zweiten Spiegeleinrichtung effizient minimiert werden, indem eine
oder mehrere Wärmeverteilungsschichten
in die erste und/oder zweite Spiegeleinrichtung eingebracht werden.
Insbesondere wenn der erste und/oder der zweite Spiegel verteilte
Bragg-Reflektoren auf der Grundlage überlicherweise verwendeter Verbindungen
mit Indium sind, ist die Wärmeleitfähigkeit
derartiger Schichten deutlich kleiner als von Verbindungen mit drei
Stoffen. In diesem Falle erhöht
das Anbringen einer oder mehrerer Wärmeverteilungsschichten, beispielsweise
in Form einer binären
Indiumphosphidschicht, deutlich die Gesamtwärmeleitfähigkeit eines entsprechend
ausgebildeten verteilten Bragg-Reflektors.
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Weitere
Aufgaben, Vorteile und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen und
der detaillierten Beschreibung hervor.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines VCSEL-Bauelements mit
einer Kavität
auf Indiumphosphidbasis, die in der Lage ist, Licht im Wellenlängenbereich
von 1000 bis 2000 nm auszusenden;
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2a bis 2c repräsentieren
die Ergebnisse von Berechnungen der Intensität der stehenden Welle des elektrischen
Feldes in einem VCSEL in Bezug auf eine Laserkavität mit einem
kleinen Brechnungsindex mit einer optischen Länge von (1/2 × λ) (2a),
einer Laserkavität
mit großem
Brechungsindex und einer optischen Länge von (1/2 × λ) (2b)
und einer Laserkavität
mit großem
Brechungsindex mit einer optischen Länge von (1 × λ) (2c), wie
sie typischerweise in konventionellen VCSEL-Bauelementen verwendet wird; und
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3 zeigt
schematisch ein Diagramm, das die Bandlückenenergien von Materialien
zeigt, die gittermäßig an Indiumphosphid
angepasst sind.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht der relevanten Bereiche eines
VCSEL-Bauelements
gemäß der vorliegenden
Erfindung. In 1 umfasst ein VCSEL 100 ein
Substrat 101, etwa ein Indiumphosphidsubstrat oder ein
GaAs-Substrat, auf dem eine erste Spiegeleinrichtung 103,
die auch als Unterseitenspiegel bezeichnet wird, ausgebildet ist.
Es sollte beachtet werden, dass Begriffe wie „Unterseite", „Oberseite", „vertikal", „horizontal", wie sie hierin
verwendet sind, nicht dazu beabsichtigt sind, eine absolute Position
oder Richtung anzugeben, sondern diese beschreiben vielmehr die
Position gewisser Elemente oder Richtungen in Bezug auf das Substrat 101.
Eine zweite Spiegeleinrichtung 102, die auch als Oberseitenspiegel bezeichnet
wird, ist über
dem unteren Spiegel 103 ausgebildet und definiert mit diesem
einen optischen Resonator. Der obere und der untere Spiegel 102, 103 sind
als verteilte Bragg-Reflektoren ausgebildet, die mehrere Schichten 105 aufweisen,
die einen kleinen Brechungsindex aufweisen, und mit mehreren Schichten 104, die
einen hohen Brechungsindex aufweisen. Die Schichten mit kleinem
Brechungsindex 105 und die Schichten mit hohem Brechungsindex 104 sind
in alternierender Weise gestapelt, wobei der Unterschied im Brechungsindex
der Schichten 105 mit kleinem Brechungsindex und der Schichten 104 mit
hohem Brechungsindex die erforderliche Anzahl an Schichten vorgeben,
um eine hohe Reflektivität
für den
oberen und den unteren Spiegel 102, 103 mit einem
Betrag zu erreichen, wie er für
einen effektiven Betrieb des Bauelements 100 erforderlich
ist.
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Zwischen
dem oberen und dem unteren Spiegel 102, 103 ist
ein Verstärkungsgebiet 106 ausgebildet, das
eine oder mehrere Quantenpotentialtopfschichten 107 aufweist,
die im Falle, dass mehrere Quantenschichten vorgesehen sind, wie
dies in dem 1 gezeigten Beispiel der Fall
ist, durch mehrere Barrierenschichten 108 getrennt sind.
An der unteren Seite der mindestens einen Quantenpotentialtopfschicht 107 und der
Barrierenschichten 108, die gemeinsam das Verstärkungsgebiet 106 bilden,
ist eine erste Indiumphosphidschicht 109 ausgebildet. An
der oberen Seite des Verstärkungsgebiets 106 ist
eine zweite Indiumphosphidschicht 110 vorgesehen. Die erste
und die zweite Indiumphosphidschicht 109, 110 und
das Verstärkungsgebiet 106,
das die mindestens eine Quantenpotentialtopfschicht 107 und
die Barrierenschichten 108 enthält, definieren eine Laserkavität 112 des
VCSEL 100. Mit „definieren
der Laserkavität 112" ist beabsichtigt,
Ausführungsformen
mit einzuschließen,
die zusätzlich
weitere Materialschichten mit einer Dicke aufweisen, die im Vergleich zu
der Dicke der ersten und der zweiten Indiumphosphidschicht 109, 110 klein
ist, so dass das optische Verhalten und die weiteren Halbleitereigenschaften,
etwa der Brechungsindex, die Bandlückenenergie, die Ladungsträgerbeweglichkeit,
die Wärmeleitfähigkeit
und dergleichen, der Laserkavität 112 außerhalb
des Verstärkungsgebiets 106 im
Wesentlichen durch die erste und die zweite Indiumphosphidschicht 109, 110 bestimmt
sind.
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In
einer speziellen Ausführungsform
ist die optische Länge
der Laserkavität 112,
die durch das Bezugszeichen L111 bezeichnet ist, so festgelegt,
um im Wesentlichen mit ½ oder
(n + ½) × der Wellenlänge, für die das
VCSEL-Bauelement 100 ausgelegt ist, übereinzustimmen, wobei n eine
ganze Zahl ist.
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Der
Grund für
die verbesserten Eigenschaften der Laserkavität 112, die eine optische
Länge von
ungefähr
(n + ½) × λ aufweist,
ist mit Bezug zu den 2a bis 2c erläutert.
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Die 2a bis 2d zeigen entsprechende Ergebnisse von
Berechnungen für
die Verteilung in Längsrichtung
der Intensität
der stehenden Welle des elektrischen Feldes innerhalb des VCSEL 100 für unterschiedliche
Arten von Laserkavitäten.
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In 2a zeigt
der obere Teil des Diagramms das Quadrat der stehenden Welle des
elektrischen Feldes innerhalb des optischen Resonators, der durch
den oberen Spiegel 102 und den unteren Spiegel 103 gezeigt
ist, (x-Achse) gegenüber
dem Abstand in Längsrichtung
innerhalb des Resonators in nm ausgehend von der Oberseite des Substrats
(x-Achse). Ferner repräsentiert
der Einschub 201 in 2a den
Brechungsindex der Schichten des VCSEL 100, wobei von links
nach rechts in dem Diagramm enthalten sind: der obere Teil des Substrats 101,
der untere Spiegel 103, der durch 25,5 Übergänge von Schichten 104 mit
hohem Brechungsindex und Schichten 105 mit kleinem Brechungsindex
gebildet wird, die Laserkavität 112,
die durch die Indiumphosphidschichten 109 und 110,
die das Verstärkungsgebiet 106 einschließen, gebildet
ist, und den oberen Spiegel 102, der durch 20,5 Übergänge von
Schichten 104 mit hohem Brechungsindex und Schichten 105 mit
kleinem Brechungsindex gebildet ist. Die Berechnungen der Verteilung
in Längsrichtung
des elektrischen Feldes, deren Ergebnisse in 2a gezeigt
sind, sind unter der Annahme ausgeführt, dass die Laserkavität 112 eine
optische Länge
von ½ × λ aufweist,
wobei λ die
Entwurfswellenlänge
des VCSEL 100 ist, die in dem vorliegenden Falle auf 1550
nm festgelegt ist. Ferner wird das Verstärkungsgebiet 106 durch
eine Schicht mit einer Dicke von 60 nm und einem Brechungsindex
repräsentiert,
der geringfügig
größer als
der Brechungsindex der Schicht 105 mit hohem Brechungsindex
ist, die u. a. den oberen und den unteren Bragg-Reflektor 102 und 103 bildet.
Die optischen Dicken der Schichten 105 mit kleinem Brechungsindex
und der Schichten mit 104 mit hohem Brechungsindex sind
so festgelegt, um im Wesentlichen mit einem Viertel der Wellenlänge übereinzustimmen,
für die
das VCSEL-Bauelement 100 entworfen ist. Ferner ist die
Dicke der ersten und der zweiten Indiumphosphidschicht 109 und 110 so
festgelegt, um in Verbindung mit der Dicke des Verstärkungsgebiets 106 eine
optische Länge
von ½ der
Entwurfswellenlänge
zu ergeben. Es sollte beachtet werden, dass die in 2a gezeigten
Ergebnisse in einfacher Weise auf eine Wellenlänge von (n + ½) × λ verallgemeinert
werden können.
Ferner wird der Brechungsindex der ersten und der zweiten Indiumphosphidschicht 109 und 110 zu
ungefähr
3,17 bei der Entwurfswellenlänge
angenommen. Wie aus 2a erkennbar ist, liegt die
maximale Intensität
des elektrischen Feldes ungefähr
an der Stelle des Verstärkungsgebiets 106, d..h,
in dem vorliegenden Beispiel bei einem Abstand von der Oberseite
des Substrats von 6075 nm. Der untere Teil der 2a ist
eine vergrößerte Ansicht
des mittleren Bereichs der in den oberen Graphen gezeigten Berechnungsergebnisse.
Aus diesen Graphen kann man ferner erkennen, dass der Brechungsindex
der ersten und der zweiten Indiumphosphidschicht 102 und 103 lediglich
geringfügig
größer als
der Brechungsindex der Schichten 105 mit kleinem Brechungsindex
des oberen und des unteren Spiegels 102 und 103 ist,
so dass im Gegensatz zu konventionellen Bauelementen die Laserkavität 112 eine
Kavität
mit kleinem Brechungsindex ist. In diesem Beispiel wird die Differenz
zwischen den Brechungsindizies der Schichten 104 mit hohem
Brechungsindex und der Schichten 105 mit kleinem Brechungsindex
als 0,4 angenommen und die Anzahl der Schichtpaare des oberen und
des unteren Spiegels 102, 103 beträgt 20,5
bzw. 25,5.
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Die
Ergebnisse zeigen explizit, dass die maximale Intensität des elektrischen
Feldes an der Stelle des Verstärkungsgebiets 106 angeordnet
ist, wohingegen die Intensität
des elektrischen Feldes an dem ersten Übergang von hohem zu kleinem
Brechungsindex in dem oberen und dem unteren Spiegel 102, 103 im
Vergleich zu den zentralen Spitzenwert deutlich reduziert ist. Somit
ist in dieser Konfiguration die Rate für die stimulierte Emission
in dem Verstärkungsgebiet 106 und
damit die wirksame Verstärkung
in dem VCSEL 100 maximal.
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Gemäß einer
Ausführungsform
(nicht gezeigt) können
der obere Spiegel 102 und/oder der untere Spiegel 103 durch
Scheibenfusion bzw. Scheibenverbund der Spiegel an die Laserkavität 112,
die im Wesentlichen durch die erste und zweite Indiumphosphidschicht 109 und 110 definiert
ist, gebildet werden. In dieser Ausführungsform ist die Intensität des elektrischen
Feldes an dem Übergang
von der Laserkavität
zu den Bragg-Reflektoren
bzw. zu dem Bragg-Reflektor, der mittels Scheibenfusion angebracht
ist, entsprechend den Ergebnissen aus 2a geringer,
wodurch die optischen Verluste deutlich verringert werden, die ansonsten an
dieser verschweißten
Grenzfläche
auftreten würden.
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Im
Gegensatz dazu zeigt 2b die Berechnungsergebnisse
für eine
Laserkavität 106 mit
einem Material mit hohem Brechungsindex, anders als dies mit dem
Indiumphosphidschichten in der vorliegenden Erfindung der Fall ist.
Insbesondere ist aus der vergrößerten Ansicht
auf der rechten Seite der 2b ersichtlich, dass
die Intensität
des elektrischen Feldes an den maximalen Spitzenwerten gleichförmiger von
der mittleren Lage des Verstärkungsgebiets 106 ausgehend
zu dem ersten Übergang
vom hohen Brechungsindex zum niedrigen Brechungsindex des oberen
und des unteren Spiegels 102, 103 verteilt ist.
Obwohl die Berechnung auch für
(1/2 × λ) für die optische
Länge der
Laserkavität 112 durchgeführt ist,
ist die Überlappung
des Quadrats des elektrischen Feldes mit den Quantenpotentialtopfschichten
deutlich im Vergleich zu der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, die die erste und die zweite Indiumphosphidschicht 102 und 103 mit dem
kleinen Brechungsindex aufweist, verringert. Wie in der speziellen
Ausführungsform,
die mit Bezug zu 2a beschrieben ist, können die
Ergebnisse aus 2b ebenso auf eine Länge der
Kavität
von (n + ½ × λ) verallgemeinert
werden.
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2c zeigt
die Berechnungsergebnisse eines VCSEL-Elements, das häufig im
Stand der Technik angetroffen wird, d. h. ein VCSEL-Bauelement mit
einer Laserkavität
mit hohem Brechungsindex, die so gestaltet ist, um im Wesentlichen
mit der Entwurfswellenlänge
oder einem ganzzahligen Vielfachen der Entwurfswellenlänge übereinzustimmen.
Wie aus diesen Ergebnissen ersichtlich ist, ist die Intensität des elektrischen Feldes
innerhalb der Laserkavität
im Wesentlichen gleich sowohl für
die Ränder
der Kavität
als auch für
die Position der Quantenpotentialtopfschichten, wobei die Intensität des elektrischen
Feldes an dem Rand der Laserkavität sogar geringfügig größer als
in der Mitte ist. Wenn die Ergebnisse, die in 2a gezeigt
sind und die den speziellen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung entsprechen, mit den Ergebnissen eines konventionellen
Bauelements, das mit Bezug zu 2c beschrieben
ist, verglichen werden, so wird deutlich, dass das VCSEL-Bauelement 100 eine
deutlich erhöhte
Verstärkung
im Vergleich zu konventionellen VCSEL-Bauelementen aufweist.
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Hinsichtlich
der Materialzusammensetzung der Quantenpotentialtopfschichten 107 und
der Barrierenschichten 108 sowie hinsichtlich der Zusammensetzung
der Schichten 105 mit kleinem Brechungsindex und der Schichten 104 mit
hohem Brechungsindex, die den oberen und den unteren Spiegel 102 und 103 bilden, können hierbei
eine Vielzahl von Ausführungsformen
hergestellt werden, indem die Materialzusammensetzungen kombiniert
werden, wie sie in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt sind.
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Wie
aus Tabelle 1 ersichtlich wird, können für das VCSEL-Bauelement 100,
das auf einem Indiumphosphidsubstrat oder einer Schicht als eine
monolithische Struktur gebildet ist, die Quantenpotentialtopfschichten 107 als
eine Zusammensetzung aus Indium, Gallium, Arsen gebildet werden,
wobei abhängig
von der Art der verwendeten Barrierenschicht und der erforderlichen
optischen und sonstigen Halbleitereigenschaften die Parameter der
Quantenpotentialtöpfe
gesteuert werden können,
indem Aluminium und Phosphor (beispielsweise die ersten drei Zeilen
aus Tabelle 1) hinzugefügt
werden. Die Barrierenschichten 108 können aus Indiumphosphid und
vierkomponentigen InGaAlAs- oder InGaAsP-Verbindungen abhängig von
der Zusammensetzung der Quantenpotentialtöpfe gebildet werden. Es sollte
beachtet werden, dass Indiumphosphid als eine Barrierenschicht dienen
kann, oder die erste und die zweite Indiumphosphidschicht 109 und 110 können selbst
als Barrierenschichten dienen. Wie bereits erläutert ist, führt der
relativ hohe Bandlücken-Offset
zwischen Indiumphosphid und den Materialzusammensetzungen, die als
Quantenpotentialtopfschichten verwendet wird, zu einem höchst effizienten
Einschluss von Ladungsträgern.
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Wie
in Tabelle 1 gezeigt ist, können
die vierkomponentigen Verbindungen aus Indium, Gallium, Aluminium,
Arsen (InGaAsAs), oder Indium, Gallium, Arsen, Phosphor (InGaAsP),
oder Aluminium, Gallium, Arsen, Wismut (AlGaAsSb) und Aluminium,
Gallium, Phosphor, Wismut (AlGaPSb) als die Schicht 104 mit
hohem Brechungsindex in Kombination mit den Schichten 105 mit
kleinem Brechungsindex, die aus binären Indiumphosphidschichten,
dreikomponentigen Indium/Aluminium/Arsen (InAlAs), Aluminium/Arsen/Wismut
(AlAsSb) oder Aluminium/Phosphor/Wismut (AlPSb) Schichten für den oberen
und den unteren Spiegel 102 und 103 gebildet sind,
verwendet werden, deren Eigenschaften durch Hinzufügen von
Gallium in der Schicht 105 mit kleinem Brechungsindex mit
Ausnahme von InP eingestellt werden können.
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Gemäß weiterer
Ausführungsformen
kann das VCSEL-Bauelement 100 als eine Hybridstruktur gebildet
werden, d. h. eine Struktur, die durch Scheibenfusion oder durch
dielektrische Abscheidung von den Schichten mit hohem und kleinem
Brechungsindex, die den oberen und/oder den unteren Spiegel 102, 103 bilden,
hergestellt ist. Tabelle 2 zeigt eine Vielzahl von Kombinationen,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden können.
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Die
ersten drei Zeilen der Tabelle 2 bezeichnen Ausführungsformen, in denen das
Substrat 101 ein GaAS-Substrat ist, das darauf Quantenpotentialtopfschichten
auf InGaAs-Basis ausgebildet aufweist, wohingegen der obere und
der untere Spiegel als konventionelle Bragg-Reflektoren auf GaAs-AlAs-Basis
gebildet sind. Die nächsten
drei Zeilen in Tabelle 2 bezeichnen Ausführungsformen unter Anwendung
dielektrischer Materialschichten als die Schichten 105 und 104 mit
kleinem bzw. großem
Brechungsindex. Gemäß spezieller Ausführungsformen,
die dielektrische Spiegel aufweisen, wird lediglich der obere Spiegel 102 aus
dielektrischen Materialschichten gebildet, die einen hohen Brechungsindex
und einen geringen Brechungsindex in abwechselnder Weise aufweisen.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des VCSEL-Bauelements 100,
wie es in 1 gezeigt ist, kann die folgenden
Prozessschritte umfassen. Zur Herstellung einer monolithischen Struktur
können
zunächst die
Schichten mit hohem Brechungsindex und die Schichten mit kleinem
Brechungsindex 104, 105 auf dem Substrat 101 gebildet
werden, das ein Indiumphosphidsubstrat sein kann. Eine Schicht 104 mit
hohem Brechungsindex mit einer Zusammensetzung, wie sie in Tabelle
1 gezeigt ist, gefolgt von einer Schicht mit kleinem Brechungsindex,
die eine Zusammensetzung aufweisen kann, wie sie in Tabelle 1 gezeigt
ist, etwa eine Indiumphosphidschicht, können durch üblicherweise angewendete Halbleiterepitaxietechniken
gebildet werden, etwa die Dampphasenepitaxie mit metallorganischen
Verbindungen, die Molekularstrahlepitaxie oder die Dampfphasenepitaxie.
Nach der Herstelldung des unteren Spiegels 103 kann die
erste Indiumphosphidschicht 109 durch eine der oben genannten
Epitaxietechniken hergestellt werden. Anschließend werden die eine oder mehreren
Quantenpotentialtopfschichten 107 mit den Barrierenschichten 108 in
der oben beschriebenen Weise gebildet.
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Es
ist gut bekannt, dass das Aufwachsen einer vollständigen VCSEL-Struktur
auf Indiumphosphidbasis mit vierkomponentigen Stoffsystemen äußerst kritisch
auf Grund der großen
Anzahl von Wachstumsparametern, die es einzustellen gilt, ist. In
dieser Hinsicht liefert die vorliegende Erfindung einen besonderen
Vorteil im Vergleich zu konventionellen VCSEL-Bauelementen mit einer
Laserkavität 112 auf
Indiumphosphidbasis, dahingehend, dass die erste und die zweite
Indiumphosphidschicht vorgesehen werden. Die Einführung eines binären Materials
während
des Aufwachsens des VCSEL-Bauelements stabilisiert in effizienter
Weise die Bedingung für
die Gitteranpassung und die Oberflächenqualität. Nach der Herstellung der
zweiten Indiumphosphidschicht 110 kann der obere Spiegel 102 ähnlich wie
der untere Spiegel 103 hergestellt werden.
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Wie
zuvor angemerkt ist, kann das VCSEL-Bauelement 100 auch
durch Scheibenfusion gebildet werden, wobei beispielsweise der obere
Spiegel 102 und/oder der untere Spiegel 103 auf
einem GaAs-Substrat gebildet werden, wie im Falle von konventionellen
VCSEL-Bauelementen, die im Bereich mit kleinen Wellenlängen arbeiten,
wobei die einzelnen Spiegel dann durch Scheibenfusion an jeder Seite
einer Laserkavität,
die separat auf einem InP-Substrat ausgebildet ist, angebracht werden.
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Gemäß einer
weiteren Alternative können
die eine oder mehreren Quantenpotentialtopfschichten 107 und
die Barrierenschichten 108 sowie die erste und die zweite
Indiumphosphidschicht 109, 110 auf einem GaAs-Substrat
gebildet werden, wobei die zuvor erwähnten Abscheideverfahren verwendet
werden.
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In
diesen Fällen
werden vorzugsweise die Materialzusammensetzungen verwendet, wie
sie in Tabelle 2 gezeigt sind. Ferner können der untere Spiegel 103 und/oder
der obere Spiegel 102 und höchst vorteilhafterweise der
obere Spiegel 102 durch Abscheiden dielektrischer Materialschichten
durch gut bekannte Abscheideverfahren hergestellt werden, um damit
einen Stapel aus Schichten zu bilden, der abwechselnd einen hohen
Brechungsindex und einen geringen Brechungsindex aufweist.
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Zusätzlich zu
den Vorteilen, die durch die erste und die zweite Indiumphosphidschicht 109, 110 während des
epitaktischen Wachsens der Materialien auf Indiumphosphidbasis bereitgestellt
werden, gründet
sich ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung auf die Tatsache,
dass gewisse Prozesse ein hohes Maß an Selektivität zwischen
Indiumphosphid und einer weiteren Materialschicht zeigen. Diese
Eigenschaft wurde bereits zur Demonstration des lateralen Einschlusses
bei Laserbauelementen mit an Indiumphosphid angepasstem Gitter angewendet,
beispielsweise durch selektives Oxidieren von AlAs in Indiumphosphid-Lasern
und durch selektives Nassätzen
von AlGaInAs-Materialien, die von den Indiumphosphidschichten umgeben
sind.
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Diese
Eigenschaft der ersten und der zweiten Indiumphosphidschicht 109, 110 ermöglicht es,
die Form des VCSEL-Bauelements 100 durch Ausnutzen des
Verhaltens bei der selektiven Oxidation und des Nassätzens in
geeigneter Weise zu gestalten. In einer speziellen Ausführungsform
wird das selektive Nassätzen
beispielsweise von AlGaInAs-Materialien bei Vorhandensein von Indiumphosphid
ausgenutzt, um eine Lücke
in der Laserkavität 112 zu
bilden. Mittels dieser Lücke
kann die optische Länge der
Laserkavität 112 dynamisch oder
statisch geändert
werden, um den VCSEL 100 an die erforderliche Wellenlänge in präziser Weise
anzupassen.
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Während des
Betriebs wird ein Stromfluss durch entsprechend angeordnete Elektroden
(nicht gezeigt) erzeugt, um Ladungsträger in den Quantenpotentialtöpfen der
Quantenpotentialtopfschichten 107 einzuschließen. Wie
im Stand der Technik gut bekannt ist, können der obere Spiegel 102 und/oder
der untere Spiegel 103 aus leitenden Halbleiterschichten
hergestellt sein, um die Ladungsträger in das Verstärkungsgebiet 106 einzubringen.
In Ausführungsformen,
in denen dielektrische Materialschichten in dem oberen Spiegel 102 und/oder dem
untern Spiegel 103 verwendet sind, können die Ladungsträger in das
Verstärkungsgebiet 106 mittels Elektroden
eingebracht werden, die seitlich beispielsweise von dem oberen Spiegel 102 beabstandet
sind, wie dies im Stand der Technik gut bekannt ist. Die Ladungsträger werden
dann in den Quantenpotentialtröpfen
eingefangen und vollführen
in äußerst effizienter
Weise eine Rekombination auf Grund des sehr effizienten Einschlusses
der Ladungsträger
in den Quantenpotentialtopfschichten 107, die von der ersten
und der zweiten Indiumphosphidschicht 109, 110 umgeben
sind.
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In
der speziellen Ausführungsform
mit einer Laserkavität,
die so bemessen ist, dass sie eine optische Länge aufweist, die im Wesentlichen
mit (n + ½) λ übereinstimmt,
ist die effektive Verstärkung
noch weiter verbessert auf Grund der deutlich erhöhten Überlappung
des Quadrats des elektrischen Feldes mit den Quantenpotentialtopfschichten 107,
wie dies in 2a gezeigt ist.
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In 3 ist
ein Beispiel des Leitungsband-Offsets für eine spezielle Ausführungsform
gezeigt. In 3 ist eine Anordnung auf InGaAs-Basis
mit einer Indiumphosphid-Barrierenschicht
dargestellt und weist einen Versatz bzw. einen Offset in dem Leitungsband
zwischen der Indiumphosphidschicht und der Schicht auf InGaAs-Basis
von einer Größe bis zu
ungefähr
0,71 mal der Energie der Bandlücke
der InGaAs-Quantenpotentialtopfschicht
auf. Somit ist der Elektroneneinschluss äußerst effizient auf Grund des
Vorsehens der ersten und der zweiten Indiumphosphidschicht 109, 110,
die als Barrierenschichten dienen, um damit das Verstärkungsgebiet 106 zu
begrenzen, insbesondere wenn zusätzlich
Indiumphosphidschichten als die Barrierenschichten 108 zwischen
aufeinanderfolgende Quantenpotentialtopfschichten 107 verwendet
sind.
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Nach
der Rekombination von Elektron-Loch-Paaren in den Quantenpotentialtopfschichten
wird die durch die Laserkavität 112 erzeugte
Strahlung durch den oberen und den unteren Spiegel 102, 103 reflektiert, die
gemäß der vorliegenden
Erfindung eine hohe Reflektivität
aufweisen, so dass selbst für
eine monolithische Struktur die erforderliche Reflektivität durch
Vorsehen von 20 bis 30 Schichtpaaren mit hohem und niedrigem Brechungsindex
erreicht werden kann. Abhängig
von der Reflektivität
des oberen Spiegels 102 und des unteren Spiegels 103 kann
die Strahlung aus dem Bauteil an dem oberen Spiegel 102 oder
dem unteren Spiegel 103 ausgekoppelt werden, da, wenn ein
Indiumphosphid-Substrat als das Substrat 101 verwendet
wird, die Strahlung im Wellenlängenbereich
von 1300 bis 1600 nm durch das Substrat 101 hindurchgeht.
