DE69105037T2 - Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator und leitenden Spiegeln. - Google Patents

Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator und leitenden Spiegeln.

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft oberflächenemittierende Laser mit vertikaler Kavität mit elektrisch leitfähigen Spiegeln.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Große Anstrengungen werden unternommen, optische und elektronische Technologien für optische Faserkommunikation zu integrieren. Ein optisches Übertragungssystem wird generell aus einer optischen Quelle (beispielsweise einer lichtemittierenden Diode oder einem Laser), einer optischen Faser und einem Detektor aufgebaut. Klein, wirkungsvoll und zuverlässig wurde der Malbleiterlaser als praktische Lichtquelle für die optische Faserkommunikation akzeptiert.
  • Oberflächenemittierende Laserdioden mit vertikaler Kavität (Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diodes), die nachfolgend als VCSEL bezeichnet werden, sind als Bauteil bzw. Einrichtung attraktiv, die durch planare Technologie herstellbar sind und als Bauteilklasse mit einem breiten Bereich potentieller Anwendungen, umfassend die optische Kommunikation, Optical Disks, Laser-Printer und sensorische Systeme mit Licht. Bei der VCSEL ist die Laserkavität senkrecht zur oberen Oberfläche eines Laserchips. Daher ist hohe Packungsdichte im Vergleich zu der Packungsdichte der kantenemittierenden Laser mit der Laserkavität parallel zur Oberfläche des Laserchips erreichbar. Dies kann zu einer vielversprechenden Zukunft bei hochdichten Feldern von Lasern, hoher Datenübertragung in optischen Kommunikationssystemen, ultrahoher Parallelverarbeitung in optischen Kommunikationssystemen sowie zum Bereitstellen von Wegen für schnelle und umfassende Datenübertragung zwischen den elektronischen Chips führen. Darüber hinaus macht die zirkularartige Natur deren Strahlen diese geeignet für die Strahlkomibinierung für Anwendungen mit hoher Leistung.
  • Bei der VCSEL liegt das Lichtausgangssignal in der Filmaufwachsrichtung, welche üblicherweise parallel zur Richtung des Injektionsstroms ist. Aufgrund dieser Eigenschaft besetzen der Spiegel und der elektrische Kontakt physikalisch die gleiche Seite der Laseranordnung, d.h. entweder das Obere (die Vorderseite) oder den Boden (die Rückseite) der Einrichtung. Typischerweise ist der Spiegel ungefähr in der Mitte der oberen Oberfläche angeordnet, während die Elektrode am Umf ang des Spiegels angeordnet ist. In manchen Konstruktionen sind der Frontspiegel und die Elektrode koplanar, während in anderen die Ebenen vertikal voneinander versetzt sind. Ein Beispiel einer koplanaren Anordnung kann den Artikeln von H. Soda et al. mit dem Titel "GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers", Japanese Journal of Applied Physics", Band 18, Nr. 12, 1979, Seiten 2329-2330, und von J. Soda et al. mit dem Titel "GaInAsP/InP Surface Emitting Injection Lasers with Short Cavity Length", IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-19, Nr. 6, Juni 1983, Seiten 1035-1041, entnommen werden. Jeder dieser Artikel beschreibt einen oberflächenemittierenden Laser mit einer koplanaren Spiegel/Elektroden-Anordnung und einem Au-Spiegel mit einigen Zehntel Mikrometer Dicke. Jedoch legte S. Kinoshita dar, daß derartige Spiegel zu niedrigem Quantenwirkungsgrad führen; s. den Artikel von Susumu Kinoshita et al. mit dem Titel "GaAlAs/GaAs Surface Emitting Laser with High Reflective TiO&sub2;/SiO&sub2; Multilayer Bragg Reflector", Japanese Journal of Applied Physics, Band 26, Nr. 3, März 1987, Seiten 410-415. Dies führte zur Entwicklung von Laseranordnungen, die (Halbleiter- oder dielektrische) Mehrlagenspiegel einsetzten; s. beispielsweise L. M. Zinkiewicz et al. "High Power Vertical-Cavity Surface- Emitting AlGaAs/GaAs Diode Lasers", Appl. Phys. Letters, Band 54, Nr. 20, 15. Mai 1989, Seiten 1959-1961, und Kenichi Iga "Recent Advances of Surface Emitting Semiconductor Lasers", Optoelectronics-Devices and Technologies, Band 3, Nr. 2, Dezember 1988, Seiten 131-142.
  • Diese Anordnungen sind jedoch kompliziert und aufwendig. Ein Versuch, die Konstruktion einer VCSEL durch Kombinieren des Spiegels und der Elektrode in einer einzelnen Einheit zu vereinfachen, führte zu relativ niedrigen Quantenwirkungsgraden. Die Spiegel umfaßten einen 0,55 um dicken, reflektierenden Ag-Spiegel, der ebenfalls als Elektrode des Lasers arbeitete. Die Emission fand durch den λ/4-Reflektorstapel statt, der aus 23 Paaren von Halbleiterschichten bestand, wobei die Halbleiter verschiedene Brechungsindices innerhalb jedes Paares hatten; s. D. G. Deppe et al. "AlGaAs-GaAs und AlGaAs-GaAs- InGaAs Vertical Cavity Surface Emitting Lasers with Ag Mirrors", Journal of Applied Physics, Band 66, Nr. 11, 1. Dezember 1989, Seiten 5629-5631.
  • Daher besteht ein Bedarf an einer VCSEL mit einem verbesserten Quantenwirkungsgrad, der ebenfalls in einer vereinfachten Weise unter Verwendung planarer Technologie herstellbar ist.
  • Die Patent Abstracts of Japan, Band 14, Nr. 22 (E-874) (3965) vom 17. Januar 1990; und die JP-A-1 264 285; beschreiben eine Halbleiter-VCSEL mit einem oberen reflektierenden und teilweise transmittierenden Spiegel, der gleichzeitig als ohmsche p-Seiten-Elektrode wirkt, die durch sequentielle Abscheidung von Ti, Pt und Au ausgebildet wird.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung wird in den unabhängigen Ansprüchen 1, 9 und 17 definiert und betrifft einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit vertikaler Kavität mit einer Laserkavität mit einer aktiven Schicht, einem Boden-(Rückseiten)-Spiegel und einem oberen (vorderseitigen) Spiegel und einer vorderseitigen und rückseitigen Elektrode zum Anlegen eines Anregungsstroms in einer Richtung, die im wesentlichen zur Richtung der optischen Ausbreitung parallel ist. Gemäß dieser Erfindung umfaßt der vorderseitige oder Frontspiegel eine dünne, halbtransparente Metallschicht, die ebenfalls als vorderseitige bzw. Frontelektrode arbeitet. Die Metallschicht ist auf einer hochdotierten Schicht, die einen nichtlegierten ohmschen Kontakt ausbildet. Das Metall ist ausgewählt aus Ag und Al und wird in einer Dicke im Bereich von 5 bis 50 nm abgeschieden. Die VCSEL ist eine Halbleitereinrichtung, in welcher das Halbleitermaterial ein III-V- oder II-VI-Verbindungshalbleiter, wie z.B. GaAs, GaInAs, InP, InGaPAs und andere verwandte Halbleiter umfaßt. Für eine VCSEL mit aktiver GaAs-Schicht ergibt das von der Front-Metall-Spiegel/Elektrode ausgegebene Licht einen externen differentiellen Quantenwirkungsgrad, mit einer Höhe von 54 %. Dies ist der höchste in VCSEL- Anordnungen erhaltene Quantenwirkungsgrad.
  • Quantenwirkungsgrade in der Größenordnung von 10 bis 30 % sind typisch für herkömmliche VCSEL-Anordnungen. Die VCSEL ist geeignet für die Herstellung unter Verwendung planarer Technologie.
    • Figurenbeschreibung
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer VCSEL mit einer halbtransparenten Front-Spiegel- Elektrode.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiebanddiagramms des Lasers aus Fig. 1.
  • Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Profils des Brechungsindex für das Material des Lasers aus Fig. 1.
  • Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von Elektrolumineszenzspektren (EL) für einen 20 um-Durchmesser,45 nm dicken Ag-Punkt (a) unterhalb und (b) oberhalb des Schwellenwerts von 35 mA, dargestellt als Lichtintensität (I) als Funktion der Wellenlänge λ.
  • Fig. 5 zeigt eine Darstellung von Reflektivitäten (R) und vollen Breiten des halben Maximums (FWHM, Full Width at Half Maximum) von Fabri Perot-(FP)-Moden als Funktion der Dicke von Ag-Spiegeln.
  • Fig. 6 zeigt eine Darstellung von Laserschwellenwertströmen als Funktion der Dicke von Ag-Spiegeln mit 20 um im Durchmesser.
  • Fig. 7 zeigt eine Darstellung des Lichtausgangssignals als Funktion des Pumpstroms einer VCSEL mit einem Ag-Punkt mit 20 um im Durchmesser und 30 nm Dicke mit einer relativen Einschaltdauer von 1 % (0,1 MHz, 100 ns).
  • Fig. 8 zeigt eine Darstellung der Reflektivität, der spezifischen Durchlässigkeit und der Absorption als Funktion der Ag-Dicke.
  • Fig. 9 zeigt eine Darstellung eines externen, differentiellen Quantenwirkungsgrads als Funktion der Dicke eines Ag-Frontspiegels.
  • Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung der VCSEL aus Fig. 1 mit einem zusätzlichen Spiegelstapel, der zwischen dem aktiven Bereich und der Spiegel/Elektrode angeordnet ist.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Die Erfindung betrifft eine VCSEL, in welcher die Laserkavität umfaßt: eine aktive Schicht, einen Boden- (hinteren) Spiegel, bestehend aus einem Stapel von einer Vielzahl von Paaren von Halbleiterschichten, die einen verteilten Viertel-Wellen-Mehrlagen-Bragg-Reflektor- (DBR) Anordnung ausbilden und einen oberen (Front-) Metallspiegel, der für Laseremission des Lasers halbtransparent ist und der ebenfalls als obere Elektrode arbeitet, wobei Laseremission durch den oberen Spiegel stattfindet. Das von der Metall-Spiegel/Elektrode ausgegebene Licht hat einen hohen differentiellen Quantenwirkungsgrad. Diese Anordnung kann in zweckmäßiger Weise durch planare Technologie hergestellt werden.
  • Fig. 1 zeigt eine allgemeine schematische Darstellung einer VCSEL gemäß dieser Erfindung, die allgemein mit 10 bezeichnet wird. Die VCSEL 10 umfaßt ein Substrat 11, einen Viertel-Wellen-Stapel 12 aus einer Vielzahl von Halbleiterschichten, wobei eine Schicht jedes Paares einen Brechungsindex hat, der von dem Brechungsindex einer anderen Schicht in dem Paar verschieden ist, einer ersten einschließenden Schicht 13, einer aktiven Schicht 14, einer zweiten einschließenden Schicht 15 und einer hochdotierten Kontaktschicht 16, einen Metallpunkt 17, der gleichzeitig als Frontspiegel und als nichtlegierte ohmsche obere (Front-) Elektrode der Einrichtung arbeitet und eine elektrisch leitfähige Schicht 18 in Kontakt mit der Bodenoberfläche des Substrats 11 formt, die Boden- (rückseitige) Elektrode der Einrichtung. Obwohl nicht dargestellt, können zusätzliche einschließende und Pufferschichten in der Laseranordnung umfaßt sein.
  • Die Konstruktion der VCSEL 10 kann erfin dungsgemäß im allgemeinen wie folgt beschrieben werden:
  • Das Substrat 11 ist ein stark dotierter n&spplus;-Typ-III-V- oder -II-VI-Halbleiter, wie z.B. GaAs, GaInAs, InP, InGaPAs und andere verwandte Gruppe-III-V- oder -II-VI- Verbindungshalbleiter. Typischerweise reicht die Dicke des Substrats von 100 bis 500 um, und die Dotierungskonzentration des Substrats reicht von 1x10¹&sup7; bis 1x10¹&sup9; cm&supmin;³. Bei manchen Anwendungen, wie z.B. optoelektronischen integrierten Schaltungen, kann das Substrat 11 erst auf einem Master-Substrat aus Silicium aufgewachsen werden, das einer auf dem Master-Substrat aufgewachsenen Anzahl von Einrichtungen gemein ist.
  • Der Viertel-Wellen-Stapel 12 setzt sich aus einer Vielzahl von Paaren (oder Perioden) von Halbleiterschichten zusammen, die einen hinteren (Boden-) Mehrlagen-verteilten Bragg-Reflektor- (DBR) Spiegel ausbilden mit einer Anzahl von Paaren, die typischerweise von 10 bis 40 reicht. Eine Halbleiterschicht in jedem Paar hat einen höheren Brechungsindex als die andere Halbleiterschicht in dem Paar. Die Dicke jedes Halbleiters in dem Paar gleicht λ/4, wobei λ die optische Wellenlänge der Lasereinrichtung ist. Für eine Einrichtung mit einem aktiven Bereich, der bei λ gleich 0,87 um lasert, wie z.B. einem GaAs-Laser, wird ein Viertel-Wellen-Stapel von Paaren von Halbleitern, wie z.B. GaAs und AlAs, mit Brechungsindices von 3,64 und 2,97 jeweils aus 62 nm dicker GaAs-Schicht und 73 nm dicker AlAs-Schicht bestehen, während ein Stapel aus AlAs und Al0,05Ga0,95As aus Paaren von Schichten mit jeweils 73 nm und 60 nm Dicke bestehen wird.
  • Typischerweise sind die erste einschließende Schicht 13 und die zweite einschließende Schicht 15 bereitgestellt, um den aktiven Bereich 14 einzuschränken, und um die Länge (L) einer optischen Kavität zu justieren (dies ist die Dicke des aktiven Bereichs). Die optische Kavitätslänge sollte 2L=Nλ sein, wobei L eine ganze Zahl und λ eine optische Betriebswellenlänge des Lasers ist. In typischer Weise reicht die Dicke jeder einschließenden Schicht von 0 bis 3 um. Um konstruktive Interferenz zu erhalten, sollte die Dicke der einschließenden Schichten ein Vielfaches von λ/2 oder λ/4 sein. In der bevorzugten Ausführungsform sind die einschließenden Bereiche aus AlxGa1-xAS, wobei x von 0,1 bis 0,4 reicht.
  • Der aktive Bereich 14 ist ein Bereich, in welchem Elektronen (-) und Löcher (+) rekombinieren, wobei unter geeigneter Stimulierung eine Laseremission bereitgestellt wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist der aktive Bereich eine hochdotierte (1x10¹&sup6; - 5x10¹&sup7; cm&supmin;³) Schicht von GaAs mit einer Dicke innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 1 um. Die Einzelschicht kann durch eine Quantentrog- Anordnung ersetzt werden, die zu einem Halbleiter mit enger Bandlücke mit ungefähr 1 bis 30 nm Dicke, der durch einen Halbleiter mit breiter Bandlücke eingeschlossen wird, zusammengesetzt ist. Alternativ kann die den aktiven Bereich ausbildende Einzelschicht durch eine Übergitter- Anordnung ersetzt werden, die eine Mehrfach- Quantentrogstruktur mit sehr dünnen Barrieren ist.
  • Eine hochdotierten Kontaktierungsschicht 16 wird in einer Dicke von 0,01 bis 0,1 um bereitgestellt, um die Herstellung eines nichtlegierten ohmschen Kontaktes zwischen der zweiten einschließenden Schicht 15 und dem Spiegel/Elektrodenpunkt 17 zu unterstützen. Typischerweise ist die Dotierungskonzentration in der Kontaktierungsschicht 16 im Bereich von 1x10¹&sup9; bis 1x10²&sup0; cm&supmin;³.
  • Der Punkt 17 umfaßt ein Metall, das gleichzeitig als Frontspiegel und als Frontelektrode wirkt, wobei die Lichtemission durch die Spiegel/Elektrode stattfindet. Gemäß dieser Erfindung wird das leitfähige Material ausgewählt aus den Metallen Ag und Al, die beim Abscheiden mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 50 nm semitransparente/semireflektierende Eigenschaften aufweisen mit einem Reflexionsvermögen bwz. einer Reflektivität (R) innerhalb eines Bereichs von 20 bis 99 % und einer spezifischen Durchlässigkeit (T) innerhalb eines Bereichs von 80 bis 1%. Die Spiegel/Elektrode 17 ist ein nichtlegierter ohmscher Kontakt. Derartige Kontakte werden durch Aufdampfen bei Temperaturen im Bereich von 100 bis 500ºC, vorzugsweise von 100 bis 250ºC, abgeschieden. Höhere Temperaturen könnten zu unerwünschter Legierungsbildung des Metalls in den Halbleiter führen, welches zu einer rauhen Grenzflächenmorphologie führt, welche die Reflexionseigenschaften der Metall-Spiegel/Elektrode verschlechtert.
  • Die Metallelektrode 18, von 1 bis 10 um dick, wird an der Boden- (rückseitigen) Oberfläche des Substrats 11 ausgebildet, um Stromfluß senkrecht durch den aktiven Bereich zum Bewirken von Laseremission bereitzustellen. Der Laser kann mit der Elektrode 18 in Kontakt mit einem Wärmeableitblech, beispielsweise aus Kupfer oder mit einigen anderen wärmeleitenden Materialien, die das Material des Lasers nicht kontaminieren, in Kontakt stehen.
  • Um den Wirkungsgrad der Spiegelleistung zu erhöhen, kann ein Viertel-Wellen-Stapel 21 (Fig. 10) mit von 2 bis 20 Paaren von Materialschichten mit hohem Brechungsindex/niedrigem Brechungsindex ähnlich zu den Paaren im rückseitigen Spiegel 12, jedoch mit p&spplus;-Typ-Dotierung (1x10¹&sup8; bis 5x10¹&sup9; cm&supmin;³ zwischen der einschließenden Schicht 15 und der hochdotierten Kontaktschicht 16 angeordnet sein. Der Stapel 21 ist dazwischen angeordnet, um die Reflektivität des oberen Spiegels zu erhöhen, insbesondere wenn die Dicke der Metallschicht niedriger als 20 nm ist.
  • Die Halbleiterschichten 12 bis 16 können auf dem Substrat 11 durch bekannte Verfahren, wie z.B. metallorganische Gasphasenabscheidung (MOVPE), die ebenfalls als metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) bekannt ist, oder durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder durch hybride Gasphasenabscheidung (VPE) aufgewachsen werden. In der bevorzugten Ausführungsform werden die VCSEL-Anordnungen durch Molekularstrahlepitaxie- (MBE) Technologie in einem Varian Gen II MBE-System an stark dotierten Substraten 11 aufgewachsen. Nachdem die Schichten 12 bis 16 aufgewachsen wurden, wird die teilweise hergestellte Anordnung zu einer getrennten Hochvakuumkammer übertragen, in welcher eine Metallschicht als nichtlegierter ohmscher Kontakt in einer Dicke abgeschieden ist, die ausreicht, um die erwünschte Reflektivität und spezifische Durchlässigkeit bereitzustellen. Photolithographische Standardtechniken werden dann eingesetzt, um kreisförmige Metallpunkte 17 zu definieren. Die dünne rückseitige Elektrodenschicht 18, beispielsweise aus In, kann dann an der Bodenoberfläche des Substrates 11 ausgebildet werden. Letztlich kann die Rückseite des Lasers mittels der In-Elektrode oder mittels eines leitfähigen Klebers, wie beispielsweise Epoxi, an einen Kupferstab montiert werden, der als Wärrnesenke gemeinsam mit anderen Einrichtungen dient.
  • In der bevorzugten Ausführungsform ist die VCSEL eine AlxGa1-xAs/GaAs-Laseranordnung mit in einer aufsteigenden Folge 1 bis 2 um dicker In-Elektrode 18, ungefähr 500 um dick (001) orientiert stark dotiert (2x10¹&sup8; cm&supmin;³) n&spplus;-GaAs- Substrat 11, rückseitigen Spiegel 12, der aus einem Viertel-Wellen-Stapel von 30 Paaren vom N&spplus;-Typ (5x10¹&sup7; bis 5x10¹&sup8; cm&supmin;³) Halbleiterschichten, die einen Mehrlagen- (DBR) Spiegel mit verteilter Bragg-Reflexion bilden, wobei jedes Paar des Stapels aus einer 73 nm dicken Schicht von n&spplus;-AlAs und 60 nm dicken Schicht von Al0105Ga0195As besteht. Das Reflexionsspektrum der DBR-Anordnung (rückseitiger Spiegel 12) bei Messung mit einem Perkin- Elmer Lambda 9 UV/VIS/NIR-Spektrophotometer zeigte ein breites Band mit hoher Reflektivität, das um ungefähr 0,87 um zentriert war mit einem Reflexionsvermögen von > 99 %, welches mit einer berechneten Reflektivitätskurve sehr gut übereinstimmt. Dem Rückseitenspiegel folgt eine erste einschließende Schicht 13 von n&spplus;-Al0,20Ga0,80As (5x10¹&sup7; cm&supmin;³) ungefähr 3 um dick, eine leicht dotierte (5x10¹&sup6; cm&supmin;³) aktive Schicht 14 von p&supmin;-GaAs ungefähr 0,6 um dick und eine zweite einschließende Schicht 15 von p&spplus;-Al0,30Ga0,70As (5x10¹&sup6; cm&supmin;³) ungefähr 0,5 um dick. Eine dünne, stark dotierte (5x10¹&sup9; cm&supmin;³) Kontaktschicht von p&spplus;- Al0,10Ga0,90As), ungefähr 0,0625 um dick, wird ganz oben auf den Schichten für ohmsche Kontaktzwecke abgeschieden. Ein Punkt 17 aus Silber (Ag) mit ungefähr 20 um Durchmesser wird oben auf der Kontaktschicht 16 in einer Dicke von ungefähr 5 bis 50 nm, vorzugsweise 35 nm, unter Bedingungen ausgebildet, die zu einem nichtlegierten ohmschen Kontakt führen. In diesem Dickenbereich ist der Silberpunkt 17 halbtransparent, d.h. semitransparent für die Laseremission, welches dessen Verwendung als Spiegel und als Frontelektrode der VCSEL gestattet. Silber wird als metallische Spiegel/Elektrode aufgrund seiner guten Leitfähigkeit und hohen Reflektivität bei Wellenlängen um 0,87 um, die der energetischen Bandlücke des aktiven Lasermaterials GaAs entsprechen, ausgewählt.
  • Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen (TEM) der Laseranordnungen, die in einem Varian Gen II- Molekularstrahlepitaxie-(MBE)-System aufgewachsen wurden, offenbarten die Gleichförmigkeit des aktiven GaAs-Bereichs und die Grenzflächenschärfe der Bodenspiegelanordnung. θ/2θ Röntgenstrahlabtastungen (Scans) von Ag-Schichten, die in einer getrennten Hochvakuumkammer mit verschiedenen Dicken von 20 bis 200 nm bei 120ºC abgeschieden wurden, zeigten, daß die Ag-Filme polykristallin sind. Photolithographische Standardtechniken wurden eingesetzt, um kreisförmige Ag- Punkte 17 mit Durchmessern im Bereich von 5 bis 100 um zu definieren. Ein Ätzmittel mit 3 HNO&sub3;:4H&sub2;O wurde verwendet, um die unerwünschten Ag-Bereiche wegzuätzen, welches eine saubere, glatte AlxGa1-xAs-Oberfläche der Kontaktierungsschicht 6 zurückließ.
  • Die Laser wurden unter Verwendung einer Spitzensonde elektrisch gepumpt und die Elektrolumineszenz-(EL)-Spektren wurden mit einem SPEX 1702/04-Spektrometer und einem Photomultiplier untersucht. Strom-Spannungs-Kennlinien wurden routinemäßig mit einem Sony/Tektronix 370- programmierbarem Curce Tracer geprüft. Die Schwellenwertspannung für die Laserdiode ist nahe der energetischen Bandlücke des GaAs-Verstärkungsmediums, welche 1,4 eV bei Raumtemperatur beträgt. Oberhalb der Schwellenwertspannung behielt der Strom eine lineare Abhängigkeit von der Vorwärtsvorspannung, welches anzeigte, daß der nichtlegierte Ag-Kontakt ohmisch ist. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur ausgeführt, und es wurden keine speziellen Kühlungstechniken eingesetzt.
  • EL-Spektren der VCSEL mit einem Ag-Punkt mit 20 um Durchmesser und 35 nm Dicke sind in Fig. 4 dargestellt. Die Kurve a von Fig. 4 ist unterhalb des Laserschwellenwertes von 35 mA. Das Spektrum ist durch klare Fabri-Perot- (FP) Moden charakterisiert. Die volle Breite bei halbem Maximum (Full Width at Half Maximum, FWHM) der FP-Moden beträgt 0,74 nm. Die Kurve b von Fig. 4 zeigt das Laserspektrum oberhalb des Schwellenwerts. Die Breite des Laserpeaks ist niedriger als 0,01 nm, welche durch die Auflösung des Spektrometers beschränkt ist. Die breiten Peaks, welche den gleichen Peak-zu-Peak-Abstand (ungefähr 20,6 nm) haben, wie diejenigen der sehr viel schärferen FP-Moden, sind, so wird angenommen, begründet durch vom Ort des Ag-Punktes spontan emittiertes Licht. Die FWHM der FM-Moden wird größer für dünne Ag-Spiegel. Aus der Finesse der FP-Moden wurden Reflektivitäten für Ag-Spiegel mit verschiedenen Dicken (s. Fig. 5) unter Verwendung bekannter optischer Konstanten von Ag, Luft und Al0,1Ga0,9As berechnet. Die Reflektivität des Bodenspiegels wurde in den Berechnungen als Einheit gewählt; s. M. Born und E. Wolf Principles on Optics", 6. Ausgabe, Pergamon Press, New York, 1980, Seiten 628-631. Die Reflektivität sinkt scharf ab, wenn die Ag-Dicke niedriger als 40 nm ist. Aus der FWHM des breiten Peaks wird eine Reflektivität von ungefähr 40 % erhalten, die mit der Reflektivität zwischen GaAs und Luft vergleichbar ist. Für 200 nm dicke Ag-Spiegel sind lediglich breite Peaks sichtbar, und es werden keine scharfen FP-Moden beobachtet. Die Reflektivität bei 200 nm Ag-Dicke, die in Fig. 5 dargestellt ist, wurde aus Berechnungen erhalten, welche die optischen Daten von Ag verwenden. Laserschwellenwertströme unter gepulstem Betrieb als Funktion der Dicke des Ag-Spiegels sind in Fig. 6 dargestellt. Der Durchmesser des Ag-Spiegels ist 200 um. Der Laserschwellenwertstrom steigt an, wenn die Ag- Spiegeldicke abnimmt. Dies ist qualitativ durch das Absinken der Reflektivitäten mit abnehmender Ag-Dicke (s. Fig. 5) qualitativ erklärbar.
  • Fig. 7 zeigt das Lichtausgangssignal von dem oberen Ag-Spiegel als Funktion des Anregungsstroms. Das ausgegebene Licht wurde mit einem optischen ANDO-AQ-1125- Leistungsmeßgerät, das um 0,85 um kalibriert ist, gemessen. Der Ag-Spiegel hatte einen Durchmesser von 20 um und war 30 nm dick. Injektionsstrompulse mit 1 % relativer Einschaltdauer (100 ns, 0,1 MHz) wurden an die Laserdiode angelegt. Es wurde keine Leistungssättigung bis zur Maximalleistung von 11,5 mW beobachtet. Es wurde ein großer Steigungswert von 0,76 mW/mA, der einen externen differentiellen Quantenwirkungsgrad von 54 % bei einer Laserwellenlänge von 0,86 um ergibt, erreicht. Quantenwirkungsgrade für verschiedene Ag-Dicken, die von 23 bis 100 nm reichen, sind in Fig. 9 dargestellt.
  • Fig. 8 zeigt das Verhältnis zwischen Reflexion, Transmission und Absorption von Ag-Spiegeln mit Ag-Dicken bis zu 70 nm. Die Summe dieser Parameter gleicht immer 100 %. Die drei in Fig. 8 dargestellten Kurven wurden berechnet unter Verwendung der optischen Konstanten von Ag, Luft und Al0,1Ga0,9As und der Reflektivität des Boden- (hinterseitigen) Spiegels 12 als Einheit; s. M. Born et al., a.a.O.. Vergleich der Absorptions- und Transmissionskurven zeigen, daß die Transmission höher als die Absorption ist für Dicken < 50 nm. Lediglich derartige Dicken sind nützlich für Laseremission durch den oberen (Front-) Ag-Spiegel.

Claims (20)

1. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) mit vertikaler Kavität umfassend wenigstens einen Halbleiter, der ausgewählt ist aus GaAs, GaAlAs, GaInAs, InP, InGaPAs und anderen verwandten Gruppe-III-V- und Gruppe-II-VI- Verbindungshalbleitern, einer Vielzahl von Schichten, die einen aktiven Bereich (14), der optische Strahlung erzeugt und einen rückseitigen Spiegel (12) , der diese Strahlung reflektiert, umfassen,
wobei der Laser ferner umfaßt:
einen Frontspiegel (17) aus einem Metall, das einen nichtlegierten ohmschen Kontakt zu dem Halbleiterkörper bildet und gleichzeitig als Frontelektrode des Lasers dient und
eine rückseitige Elektrode (18) für das Anlegen eines Anregungsstroms in einer Einheit mit dem Frontspiegel in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zum aktiven Bereich ist und im wesentlichen parallel zur Richtung der Ausbreitung der optischen Strahlung ist,
wobei der Frontspiegel eine Schicht von hochreflektierendem Metall umfaßt, das in einer Dicke abgeschieden ist, welche das Hindurchtreten von optischer Strahlung durch den Frontspiegel in einer Richtung senkrecht zum aktiven Bereich gestattet, wobei die Metallschicht im wesentlichen aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber und Aluminium besteht, und 5 bis 50 nm dick ist.
2. Laser nach Anspruch 1, in welchem die semitransparente Metallschicht Silber umfaßt.
3. Laser nach Anspruch 2, in welchem die AG-Schicht ungefähr 40 nm dick ist.
4. Laser nach Anspruch 1, in welchem der Rückseitenspiegel ein Mehrlagenspiegel mit verteilter Bragg-Reflexion ist, der von 10 bis 40 Paaren von &lambda;/4-Schichten mit verschiedenem Brechungsindex in jedem Paar umfaßt.
5. Laser nach Anspruch 4, in welchem der aktive Bereich GaAs umfaßt und der rückseitige Spiegel ein Paar von &lambda;/4-Schichten umfaßt, die ausgewählt sind aus AlAs und GaAs und aus AlAs und Al0,05Ga0,95As.
6. Laser nach Anspruch 1, in welchem eine Mehrlagen-(DBR)-Anordnung (21) mit verteilter Bragg-Reflexion, die aus 2 bis 20 Paaren von &lambda;/4-Schichten mit verschiedenem Brechungsindex innerhalb jedes Paares zwischen dem aktiven Bereich und dem Frontspiegel angeordnet ist.
7. Laser nach Anspruch 6, in welchem die DBR-Anordnung Paare von Schichten umfaßt, die ausgewählt sind aus AlAs und GaAs oder aus AlAs und Al0,05Ga0,95As.
8. Laser mit vertikaler Kavität nach Anspruch 1, in welchem die Halbleiterschichten auf einem Halbleitersubstrat durch Molekularstrahlepitaxie aufgewachsen sind.
9. Oberflächenemittierender Laser (10) mit vertikaler Kavität, in welchem der Halbleiter wenigstens einen Halbleiter umfaßt, der ausgewählt ist aus GaAs, GaAlAs, GaInAs, InP, InGaPAs und anderen verwandten Gruppe-III-V- und -II-VI-Verbindungshalbleitern, mit einer Vielzahl von Schichten, die in aufsteigender Folge von einem Halbleitersubstrat (11) umfassen:
einen rückseitigen Mehrlagen-(DBR)-Spiegel (12) mit verteilter Bragg-Reflexion auf dem Substrat,
einen aktiven Bereich (14), der optische Strahlung erzeugt,
wobei der aktive Bereich zwischen einer ersten (13) und einer zweiten (15) einschließenden Schicht eingeschlossen ist,
eine hochdotierte Kontaktierungsschicht (16) und einen Frontspiegel (17), der eine Metallschicht umfaßt, die einen nichtlegierten ohmschen Kontakt zur Kontaktierungsschicht bildet und gleichzeitig als Frontelektrode des Lasers dient, wobei die Metallschicht aus hochreflektierendem Metall besteht, das in einer Dicke abgeschieden ist, welche die Transmission optischer Strahlung durch den Frontspiegel in einer Richtung senkrecht zu dem aktiven Bereich gestattet, wobei die Metallschicht im wesentlichen aus einem Metall besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber und Aluminium besteht, und 5 bis 50 nm dick ist.
10. Laser nach Anspruch 9, in welchem das Metall Silber ist.
11. Laser nach Anspruch 10, in welchem die Ag-Schicht ungefähr 40 nm dick ist.
12. Laser nach Anspruch 9, in welchem der Rückspiegel ein Mehrlagenspiegel mit verteilter Bragg-Reflexion ist, der von 10 bis 40 Paare von &lambda;/4-Schichten mit verschiedenem Brechungsindex in jedem Paar umfaßt.
13. Laser nach Anspruch 12, in welchem der aktive Bereich GaAs ist und der rückseitige Spiegel Paare von &lambda;/4-Schichten umfaßt, die ausgewählt sind aus AlAs und GaAs und aus AlAs und Al0,05Ga0,95As.
14. Laser nach Anspruch 9, in welchem eine Mehrlagenanordnung (21) mit verteilter Bragg-Reflexion, die von 2 bis 20 Paare von &lambda;/4-Schichten mit verschiedenem Brechungsindex innerhalb jedes Paares umf aßt, zwischen dem aktiven Bereich und dem Frontspiegel angeordnet ist.
15. Laser nach Anspruch 14, in welchem die DBR-Anordnung Paare von Schichten umfaßt, die ausgewählt sind aus AlAs und GaAs und aus AlAs und Al0,05Ga0,95As.
16. Laser nach Anspruch 9, in welchem die Halbleiterschichten auf dem Halbleitersubstrat durch Molekularstrahlepitaxie aufgewachsen sind.
17. Oberflächenemittierender Laser (10) mit vertikaler Kavität, in welchem der Halbleiter wenigstens einen Halbleiter umfaßt, der ausgewählt ist aus GaAs, GaAlAs, GaInAs, InP, InGaPAS und anderen verwandten Gruppe-III-V- und Gruppe-II-VI-Verbindungshalbleitern, eine Vielzahl von Schichten umfaßt, die einen aktiven Bereich (14) enthalten, der optische Strahlung erzeugt, einen rückseitigen Spiegel (12), der die Strahlung reflektiert, einen frontseitigen Spiegel (17) umfassen, der teilweise die Strahlung in einer Richtung senkrecht zu dem aktiven Bereich reflektiert und teilweise durchläßt, wobei der Frontspiegel aus einem Metall besteht, das einen nichtlegierten ohmschen Kontakt zu dern Halbleiterkörper ausbildet und gleichzeitig als Frontelektrode des Lasers dient und mit einer rückseitigen Elektrode (18) zum Anlegen eines Anregungsstroms gemeinsam mit dem Frontspiegel in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zum aktiven Bereich ist und im wesentlichen parallel zur Richtung der Ausbreitung der optischen Strahlung ist,
in welchem der Frontspiegel eine Schicht von hochreflektierendem Metall umfaßt, das im wesentlichen aus einem Metall besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Silber und Aluminium besteht, und 5 bis 10 nm dick ist.
18. Laser nach Anspruch 17, in welchem das Frontspiegelmetall Silber umfaßt.
19. Laser nach Anspruch 18, in welchem die Ag-Schicht ungefähr 40 nm dick ist.
20. Laser mit vertikaler Kavität nach Anspruch 17, in welchem die Halbleiterschichten an einem Halbleitersubstrat (11) durch Molekularstrahlepitaxie aufgewachsen sind.
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