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DE69104342T2 - Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator und transparenter Elektrode. - Google Patents

Oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator und transparenter Elektrode.

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DE69104342T2
DE69104342T2 DE69104342T DE69104342T DE69104342T2 DE 69104342 T2 DE69104342 T2 DE 69104342T2 DE 69104342 T DE69104342 T DE 69104342T DE 69104342 T DE69104342 T DE 69104342T DE 69104342 T2 DE69104342 T2 DE 69104342T2
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mirror
layer
laser
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gaas
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Rose Fasano Kopf
Henry Miles O'bryan
Erdmann Frederick Schubert
Li-Wei Tu
Yeong-Her Wang
George John Zydzik
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AT&T Corp
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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit vertikaler Kavität mit optisch transparenten Elektroden.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Die oberflächenemittierende Laserdiode mit vertikaler Kavität, die hier nachfolgend als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers Diode) bezeichnet wird, ist als Einrichtung attraktiv, die durch planare Technologie herstellbar ist und als Bauteilklasse mit einem breiten Bereich potentieller Anwendungen einschließlich optischer Kommunikation, Optical Disks, Laserprintern und lichterfassenden bzw. lichtempfindlichen Systemen. Bei der VCSEL ist die Laserkavität senkrecht zur optischen Oberfläche eines Laserchips. Daher ist im Vergleich zur Packungsdichte von kantenemittierenden Lasern mit einer Laserkavität parallel zur Oberfläche des Laserchips eine hohe Packungsdichte erreichbar. Dies führt zu einer versprechenden Zukunft bei Laserfeldern hoher Dichte, großen Datenmengenübertragungen in optischen Kommunikationssystemen, hochparalleler Verarbeitung in optischen Kommunikationssystemen sowie beim Bereitstellen eines Weges für schnelle Datenübertragung zwischen elektronischen Chips mit hoher Kapazitat. Darüber hinaus macht die radiale Symmetrie deren Strahlen diese für die Strahlkopplung mit zylindrischen Fasern geeignet.
  • Bei der VCSEL ist das abgegebene Licht in der Film-Aufwachsrichtung, die üblicherweise parallel zum Injektionsstrom ist. Aufgrund dieses Merkmals belegen der Spiegel, durch welchen die Laseremission stattfindet, und der elektrische Kontakt physikalisch die gleiche Seite der Laserstruktur, d.h. sowohl oben auf als auch am Boden des Bauteils. Typischerweise ist der Spiegel ungefähr in der Mitte der Oberfläche angeordnet, während die Elektrode am Umfang des Spiegels angeordnet ist; s. beispielsweise Kenichi Iga "Recent Advances of Surface Emitting Semiconductor Lasers", Optoelectronics, Devices and Technologies, Band 3, Nr. 2, Dezember 1988, Seiten 131-142, L. M. Zinkiewicz et al. "High Power Vertical-Cavity Surface- Emitting AlGaAs/GaAs Diode Lasers", Applied Phys. Letters, Band 54, Nr. 20, 15. Mai 1989, Seiten 1959-1961, und Electronics Letters, Band 26, Nr. 19, 13. September 1990, Seiten 1628-1629, deren VCSEL ebenfalls einen H&spplus;- implantierten Bereich hat, der am Umfang der Schichten deren oberen DBR-Mehrlagenspiegels angeordnet ist. Ein Versuch, die Konstruktion einer VCSEL durch Kombination des Spiegels und der Elektrode in einer einzigen Einheit zu vereinfachen, führt zu relativ niedrigen Quantenwirkungsgraden; s. D. G. Deppe et al., "AlGaAs-GaAs and AlGaAs-GaAs-InGaAs vertical cavity suface emitting lasers with Ag mirrors", Journal of Applied Physics, Band 66, Nr. 11, 1. Dezember 1989, Seiten 5629-5631. Die Spiegel umfaßten einen 0,55 um dicken reflektierenden Ag-Spiegel, der ebenfalls als Elektrode des Lasers wirkte. Die Emission fand durch den λ/4- Halbleiterreflektorstapel statt, der gegenüber der Spiegelelektrode angeordnet war. Das am 14. August 1990 Koich Imanaka erteilte US-Patent 4 949 351 beschreibt eine Ti-, Pt- und Au-Schichtstruktur mit einer Gesamtdicke von 900 Å, die als Elektrodenspiegel verwendet wird. Ein Artikel von E. F. Schubert et al., "Low-threshold vertical cavity surface-emitting lasers with metallic reflectors", Applied Physics Letters, 57 (2), 9. Juli 1990, Seiten 117-119, L. W. Tu et al., "Vertical-Cavity Surface Emitting Lasers With Semi-Transparent Metallic Mirrors And High Quantum Efficiencies", Applied Physics Letters, 57(20), 12. November 1990, Seiten 2045-2047, und die US-Anmeldung 07/526 204, eingereicht am 21. Mai 1990 (Deppe D. G. 4-14-2-11-1-26) beschreibt eine VCSEL mit einem metallischen Spiegel, der gleichzeitig als Elektrode der Einrichtung wirkt, mit einer Dicke, die ausreicht, Laseremission durch die Spiegelelektrode zu gestalten. Während jedoch der Quantenwirkungsgrad der letztgenannten gegenüber der Struktur von D. G. Deppe oder Imanaka verbessert wird, verbleiben noch wesentliche Transmissionsverluste der Laserstrahlung durch die metallische Spiegelelektrode.
  • Die US-A-4 495 514 beschreibt eine oberflächenemittierende Diode mit einer transparenten Elektrode zum Koppeln eines Stroms an den Übergang der lichtemittierenden Diode und einer dünnen, auf Metall basierenden Schicht, die dazwischen ausgebildet ist, um den Grenzflächenwiderstand zu senken.
  • Entsprechend besteht noch ein Bedarf an einer VCSEL mit verbessertem Quantenwirkungsgrad und Lichttransmission, die ebenfalls in einfacherer Weise unter Verwendung planarer Technologie herstellbar ist.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung wird in Anspruch 1 definiert. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Die Erfindung umfaßt einen oberflächenemittierenden Halbleiterlaser mit vertikaler Kavität, enthaltend eine Laserkavität mit einer aktiven Schicht, einen oberen und Boden-Mehrlagen-Spiegel mit verteilter Rückkopplung (DBR, Distributed Bragg Reflection) und einer oberen und Bodenelektrode zum Anlegen eines Anregungsstroms in der Richtung parallel zur Richtung der optischen Lichtausbreitung. Die VCSEL ist eine Halbleitereinrichtung, in welcher das Halbleitermaterial ein III-V- oder II-VI- Verbindungshalbleiter ist, wie z.B. GaAs, GaInAs, InP, InGaPAs, AlGaInAs, AlGaAs und andere verwandte Halbleiter. Gemäß der Erfindung umfaßt die obere Elektrode ein optisch transparentes Material, das ausgewählt ist aus leitfähigen Halbleitern mit spezifischen Leitfähigkeiten innerhalb eines Bereichs von 1x10³ bis 1x10&sup5; Ω&supmin;¹ cm&supmin;¹, einer spezifischen Lichtdurchlässigkeit für emittiertes Laserlicht von wenigstens 80 % und einer Absorption von weniger als 10 %. Cadmiumzinnoxid und Indiumzinnoxid, das in einer Dicke im Bereich von 50 bis 500 nm abgeschieden ist, erfüllt diese Anforderungen. Die Elektrodenschicht ist auf einer sehr dünnen Metallbarrierenschicht, die eine nichtlegierte Barriere zwischen dem oberen p-Typ-Spiegel und der n-Typ- Elektrodenschicht ausbildet. Bei einer VCSEL mit einer aktiven GaAs-Schicht ergibt die Lichtausgangsleistung von der oberen Elektrodenseite einen externen differentiellen Quantenwirkungsgrad von etwa 54 %. Diese VCSEL ist für die Herstellung unter Verwendung planarer Technologie geeignet.
  • Die VCSEL-Struktur mit vertikaler Injektion unter Verwendung optisch transparenten und elektrisch leitfähigen Cadmiumzinnoxids oder Indiumzinnoxids stellt eine Lösung für die grundlegende Schwierigkeiten bei herkömmlichen VCSELs zur Verfügung, d.h. hier haben das Licht und der Strom den gleichen Weg. CW-Betrieb bzw. Dauerstrichbetrieb bei niedrigem Schwellenwertstrom wird bei Raumtemperatur erreicht. Das Gauss-artige Fernfeld-Verteilungsmuster legt einen einzelnen, fundamentalen, transversalen Mode nahe.
    • Figurenbeschreibung
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer VCSEL mit vertikaler Injektion mit einer transparenten oberen Elektrode, wobei der Strom vertikal durch das optische Fenster, wie durch Pfeile angezeigt, injiziert wird,
  • Fig. 2 zeigt die kontinuierliche Dauerstrich- Lichtausgangsleistung als Funktion des direkten Stroms bei Raumtemperatur, wobei der Laserschwellenwert 4,2 mA beträgt, die Laserwellenlänge bei ungefähr 0,85 um liegt,
  • Fig. 3 zeigt die Kurve des Stroms als Funktion der Spannung bei Raumtemperatur, wobei die Spannung beim Laserbetrieb 5,4 V mit einem differentiellen Serienwiderstand von 430 Ω beim Laserschwellenwert von 4,2 mA beträgt,
  • Fig. 4 zeigt die Fernfeldlichtintensitätsverteilung unter Dauerstrich-Betrieb bei 5 mA, diese ist Gaussartig mit einer vollen Breite bei halbem Maximum von 7º. Die Datenpunkte sind durch gerade Linien verbunden, und normalisierte Lichtintensität ist dargestellt.
  • Fig. 5 zeigt die Lichtintensität als Funktion des Stroms für eine nicht erfindungsgemäße Struktur ohne Ionenimplantation bei gepulstem Strom von 100 ns und 1 kHz, wobei die Schwellenwertstromdichte 3 kA/cm² beträgt.
    • Detaillierte Beschreibung
  • Die Erfindung umfaßt eine VCSEL, in welcher die Laserkavität eine aktive Schicht, einen oberen und einen Bodenspiegel, der jeder aus einem Stapel aus einer Vielzahl von Paaren (oder Perioden) von Halbleiterschichten, die eine Mehrlagen-Viertel-Wellenlängen-Struktur mit verteiltem Bragg-Reflektor (DBR) ausbilden, und eine obere und eine Bodenelektrode, jeweils umfaßt. Die obere Elektrode umfaßt Halbleitermaterial, das für die Laseremission aus der aktiven Schicht optisch transparent ist und die Laseremission durch den oberen Spiegel erlaubt. Das von dem Spiegel und die optisch transparente, obere Elektrode abgegebene Licht erreicht einen hohen differenziellen Quantenwirkungsgrad, der etwa 54 % hoch ist. Diese Einrichtung kann zweckmäßigerweise durch planare Technologie hergestellt werden.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen VCSEL, die allgemein als 10 bezeichnet ist. Zum Zwecke der Klarheit sind die Elemente der VCSEL nicht maßstabgerecht dargestellt. Die VCSEL 10 umfaßt in aufsteigender Folge eine Bodenelektrode 11, ein Substrat 12, einen Viertel-Wellenlängen-Stapel aus einer Vielzahl von Paaren (oder Perioden) von Halbleiterschichten, die einen Bodenspiegel 13 ausbilden, eine erste einschließende Schicht 14, einen aktiven Bereich 15, eine zweite einschließende Schicht 16, ein weiterer Viertel-Wellenlängen-Stapel aus einer Vielzahl von Paaren (oder Perioden) von Halbleiterschichten, der einen oberen Spiegel 17 ausbildet, einem ionisierten Bereich 18 von Ionen, die in einem umfänglichen, ringförmigen Bereich des oberen Spiegels implantiert sind, welcher ein mittig angeordnetes, kreisförmiges Fenster 19 im oberen Spiegel bildet, eine dielektrische Schicht 20 auf dem oberen Spiegel, wobei die dielektrische Schicht ein mittig angeordnetes Fenster 21 hat, das sich im wesentlichen vertikal mit dem Fenster 19 gleich erstreckt, einer Barrierenmetallschicht 22 auf der dielektrischen Schicht 20 und dem Anteil des oberen Spiegels 17, der im Fenster 21 freigelegt ist, und einer optisch transparenten Halbleiterschicht 23, die als obere Elektrode der Einrichtung wirkt. Obwohl nicht dargestellt, können zusätzliche einschließende und Pufferschichten in die Laserstruktur mit einbezogen werden. Wahlweise kann, falls die spezifische Leitfähigkeit der obersten Schicht des oberen Spiegels 17 nicht ausreicht, einen nicht legierten ohmschen Kontakt zur Barrierenschicht 22 auszubilden, eine dünne, hochdotierte Kontaktschicht (nicht dargestellt) zwischen dem oberen Spiegel 17 und der Barrierenschicht 22 angeordnet werden.
  • Eine detailliertere Konstruktion der erfindungsgemäßen VCSEL 10 kann im allgemeinen wie folgt beschrieben werden:
  • Das Substrat 12 ist ein stark dotierter n&spplus;-Typ- III-V- oder II-VI-Halbleiter, wie z.B. GaAs, AlGaAs, GaInAs, InP, InGaPAs, AlGaInAs und andere verwandte III-V- oder II- VI-Verbindungshalbleiter. Typischerweise reicht die Dicke des Substrats von 100 bis 650 um, und die Dotierungskonzentration des Substrats reicht von 1x10¹&sup7; bis 4x10¹&sup8; cm&supmin;³. Bei manchen Anwendungen, wie z.B. integrierten optoelektronischen Schaltungen, kann das Substrat 12 zunächst auf einem Master-Substrat aus Silicium aufgewachsen werden, welches eine Anzahl von Einrichtungen, die auf dem Master-Substrat aufgewachsen werden, gemeinsam ist.
  • Ein n&spplus;-dotierter Viertel-Wellenlängen- Halbleiterstapel auf dem Substrat 12 ist aus einer Vielzahl von Paaren oder Perioden von Halbleiterschichten zusammengesetzt, die einen Mehrlagen-Bodenspiegel 13 mit verteilter Bragg-Reflexion (Distributed Bragg Reflector, DBR) bilden, wobei die Anzahl von Paaren (oder Perioden) typischerweise von 10 bis 40 reicht. Eine Halbleiterschicht in jedem Paar oder Periode hat einen höheren Brechungsindex als die andere Halbleiterschicht des Paares. Die Dicke jedes Halbleiters in dem Paar gleicht λ/4η , wobei λ die optische Betriebswellenlänge der Lasereinrichtung und η der Brechungsindex des Halbleitermaterials ist. Bei einer Einrichtung mit einem aktiven Bereich, der bei λ = 0,87 um lasert, wie z.B. ein GaAs-Laser, wird ein Viertel- Wellenlängen-Stapel von Paaren von Halbleitern, wie z.B. GaAs und AlAs, mit jeweiligen Brechungsindices von 3,64 und 2,97 aus 62 nm dicker GaAs-Schicht und 73 nm dicker AlAs- Schicht bestehen, während ein Stapel aus Al0,05Ga0,95As und AlAs aus Paaren, die jeweils 60 nm und 73 nm dick sind, bestehen. Um den Serienwiderstand zu senken, kann der n-Typ- Bodenspiegel als sich ändernde (graded) Ein-Schritt-Struktur abgeschieden werden, wobei jede Periode eines derartigen Bodenspiegels eine Struktur von Al0,14Ga0,86As (500 Å) / Al0,57Ga0,34As (100 Å) / AlAs (500 Å) / Al0,57Ga0,43As (100 Å) hat, wobei 1 Å = 10&supmin;¹&sup0; m. Alternativ kann die Spiegelanordnung mit einem linearen Gradienten (Linear Grading) oder mit einem Übergittergradienten (Superlattice Grading) des Stapels versehen sein.
  • Die einschließenden Schichten 14 und 16 sind vorgesehen, um den aktiven Bereich 15 einzugrenzen bzw. einzuschließen und um die Länge L der optischen Kavität einzustellen. Diese Länge der optischen Kavität soll 2L = N x λ sein, wobei N eine ganze Zahl und λ eine optische Betriebswellenlänge des Lasers ist. Um konstruktive Interferenz zu erhalten, sollte die Dicke der einschließenden Schichten ein Vielfaches von λ/2 oder λ/4 sein. In typischer Weise reicht die Dicke jeder einschließenden Schicht von 0 bis 3 um. Die einschließenden Bereiche sind AlxGa1-xAs, wobei x von 0,1 bis 0,4 reicht.
  • Der aktive Bereich 15 ist ein Bereich, in welchem Elektronen (-) und Löcher (+) rekombinieren, welches unter geeigneter Stimulation Laseremission zur Verfügung stellt. Der aktive Bereich mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 1 um ist eine Mehrfach-Quantentrog-(Multi-Quantum-Well, MQW)-Struktur mit sehr dünnen Barrieren. Jeder Quantentrog umfaßt einen Halbleiter 1 mit enger Bandlücke bis zu 30 nm dick, der durch einen Halbleiter mit breiterer Bandlücke von 1 bis 20 nm Dicke eingeschlossen ist. Der zweite Viertel- Wellenlängen-Stapel aus von 2 bis 20 Paaren oder Perioden Materialschichten mit hohem Brechungsindex-/niedrigem Brechungsindex-Material bildet wie die Paare oder Perioden im Bodenspiegel 13, jedoch mit p&spplus;-Typ-Dotierung (1x10¹&sup8; bis 5x10¹&sup9; cm&supmin;³) einen oberen Mehrlagen-DBR-Spiegel 17 auf einer einschließenden Schicht 16. Der umfängliche Bereich des oberen Spiegels umfaßt einen ionenimplantierten Bereich 18. Die Ionen werden in den umfänglichen Bereich des oberen Spiegels 17 implantiert, welches ein Fenster 19 so erzeugt, daß sowohl der Strom als auch die Laseremission auf einen engen, mittig angeordneten Bereich eingeschlossen werden. Die Ionen werden ausgewählt aus Ionen von Elementen, die den Leitfähigkeitstyp des Materials, in welchen diese implantiert werden, nicht beeinflussen. Ionen, beispielsweise H&spplus; oder O&spplus;, werden in Konzentrationen im Bereich von 1x10¹&sup8; bis 5x10¹&sup9;/cm² implantiert.
  • Eine dünne Schicht 20 aus dielektrischem Material, wie z.B. SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4;, Vycor -Glas usw., wird auf dem oberen Spiegel 17 mit einer Dicke im Bereich von 0,01 bis 0,1 um ausgebildet. Die Schicht 20 hat ein mittig angeordnetes Fenster 21, welches sich im wesentlichen zum Fenster 19, das im ionenimplantierten Bereich 18 ausgebildet ist, gleich erstreckt. Die Fenster 19 und 21 wirken miteinander zusammen, die Laseremission auf den mittig angeordneten Bereich zu beschränken. Die Schicht 20 gestattet ebenfalls den Durchtritt des Betriebsstroms nur durch das Fenster 21, wodurch der Stromfluß auf einen engen Bereich des aktiven Bereichs eingeengt wird. Jedes der Fenster reicht von 5 bis 50 um, vorzugsweise 10 bis 20 um, im Durchmesser.
  • Die optisch transparente obere Elektrode 23 wird als Schicht oben auf der Struktur abgeschieden, wobei Laseremission aus der aktiven Schicht 15 durch den oberen Spiegel und durch die obere Elektrode stattfindet. Gemäß der Erfindung ist das Elektrodenmaterial aus optisch durchlässigen Halbleitermaterialien ausgewählt, die spezifische Leitfähigkeiten im Bereich von 1x10³ bis 1x10&sup5; &Omega;&supmin;¹ cm&supmin;¹ , eine spezifische Lichtdurchlässigkeit von mehr als 80 % und Lichtabsorption von weniger als 10 % haben. Die optisch durchlässige Halbleiterschicht wird auf die Laserstruktur oben auf dem oberen Spiegel aufgebracht, um als vertikaler Injektionskontakt ohne wesentliche Störung der Lichtausgangsleitung zu dienen. Cadmiumzinnoxid (CTO) und Indiumzinnoxid (ITO) mit den jeweiligen Nennformeln Cd2-xSnxO&sub4;, wobei x von 0,01 bis 0,5, vorzugsweise von 0,3 bis 0,4 reicht, und In2-ySnyO&sub3;, wobei y von 0,01 bis 0,2 reicht, sind für diesen Zweck besonders geeignet. Das Cadmiumzinnoxid ist optisch transparent (mehr als 80 %) mit einer vernachlässigbaren Absorption (< 1%) und ist elektrisch mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 2x10³ &Omega;&supmin;¹ cm&supmin;¹ und einem spezifischen Widerstand von 5x10&supmin;&sup4; &Omega; cm bei Raumtemperatur leitfähig. Das Indiumzinnoxid ist ebenfalls optisch transparent (mehr als 90 %) mit einer sehr geringen Absorption (< 5%) und ist mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 2,5 x 10³ &Omega;&supmin;¹ cm&supmin;¹ und einem spezifischen Widerstand von 4x10&sup4; &Omega;cm bei Raumtemperatur leitfähig. Diese Materialien stellen bei Abscheidung in einem Dickenbereich von 50 bis 500 nm, vorzugsweise von 200 bis 300 nm, für die Verwendung als Elektroden des Lasers ausreichende elektrische Leitfähigkeit zur Verfügung und zeigen noch Transparenzeigenschaften mit einer spezifischen Durchlässigkeit (Transmissivity, T), die größer als 80 % ist und eine Absorption < 10 %.
  • Vor der Abscheidung der oberen Elektrode 23 wird eine dünne Metallbarrierenschicht 22 oben auf der dielektrischen Schicht 20 abgeschieden und auf dem Anteil des oberen Spiegels 17, der im Fenster 21 freiliegt. Diese Barrierenschicht wird in einer Dicke von bis zu 300 Å, vorzugsweise von 10 bis 50 Å, abgeschieden. Die Barrierenschicht wird verwendet, um die Ausbildung eines anderen p-n-Übergangs zwischen dem oberen Spiegel 17 mit p-Typ-Leitfähgikeit und der oberen Halbleiterelektrode 23 mit n-Typ-Leitfähigkeit zu vermeiden, welches die Laseremission stören könnte. Die Barrierenschicht wird aus Metallen oder Legierungen ausgewählt, die keine Kontamination der Materialien der Einrichtung bewirken und in der Lage sind, einen nichtlegierten ohmschen Kontakt zur Oberfläche des oberen Spiegels 17 auszubilden, und bei Abscheidung innerhalb des vorstehenden Dickenbereichs die Transmission der Laseremission nicht wesentlich stören.
  • Wahlweise kann, falls die Leitfähigkeit einer obersten Schicht des oberen Spiegels 17 nicht ausreicht, einen nichtlegierten ohmschen Kontaktk zur Barrierenschicht 22 auszubilden, eine dünne, hochdotierte Kontaktschicht (nicht dargestellt) zwischen dem oberen Spiegel 17 und der Barrierenschicht 22 mit einer Dicke im Bereich von 0,01 bis 0,1 um, vorzugsweise ungefähr 0,625 um, angeordnet werden, um die Ausbildung des nichtlegierten ohmschen Kontaktes zwischen dem oberen Spiegel und der Metallbarrierenschicht zu unterstützen. In typischer Weise reicht die Dotierungskonzentration in der optionalen Kontaktierungsschicht von 1x10¹&sup9; bis 1x10²&sup0; cm&supmin;¹, vorzugsweise ungefähr 5x10¹&sup9; cm&supmin;³.
  • Die Metallelektrode 11, deren Dicke von 1 bis 10 um reicht, wird auf der Bodenoberfläche des Substrats 12 ausgebildet, um den Stromfluß senkrecht zum aktiven Bereich zum Veranlassen von Laseremission bereitzustellen. Indium ist ein Metall, das als dünne Schicht abgeschieden werden kann, ohne unangebrachtes Erhitzen der Struktur zu verursachen. Der Laser kann mit der Elektrode 11 in Kontakt mit einem Wärmeableitblech, beispielsweise aus Kupfer oder anderem wärmeleitendem Material, das die Lasermaterialien nicht kontaminiert, befestigt sein.
  • Halbleiterschichten 13-17 können auf dem Substrat 12 durch bekannte Methoden, wie z.B. metallorganische Gasphasenabscheidung (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE) oder durch Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) oder durch Hydridgasphasenabscheidung (Hydride Vapor Phase Epitaxy, VPE) aufgewachsen werden. In der bevorzugten Ausführungsform werden die VCSEL-Strukturen durch Molekularstrahlepitaxie-(MBE)-Techniken in einem Varian Gen II- oder Riber MBE-System auf stark dotierten (1x10¹&sup7; - 4x10¹&sup8; cm&supmin;³) Substraten 12 aufgewachsen. Nachdem die Schichten 13 bis 17 aufgewachsen wurden, werden Fenster 19 und 21 durch photolithographische Techniken durch Abscheiden eines geeigneten Resists auf der mittig angeordneten oberen Oberfläche des oberen Spiegels 17 definiert. Die teilweise mit Resist auf dieser ausgebildete Struktur wird in eine getrennte Hochvakuumkammer gebracht, in welcher die Struktur Ionenimplantation, beispielsweise H&spplus; oder O&spplus;, unterzogen wird, um den ionenimplantierten Bereich 18 auszubilden. Nachdem die dielektrische Schicht 20 auf der oberen Oberfläche des oberen Spiegels 17 ausgebildet und der Resist entfernt wurde, wird eine dünne Metallbarrierenschicht 22 oben auf der dielektrischen Schicht abgeschieden und auf der oberen Oberfläche des oberen Spiegels 17, der im Fenster 21 freigelegt ist. Eine derartige Metallschicht wird zweckmäßigerweise durch Aufdampfen bei Temperaturen im Bereich von 100 bis 500ºC, vorzugsweise von 100 bis 250ºC, durch Sputtern oder durch Elektronenstrahlabscheidung aufgedampft. Das letztere Verfahren ist vorzuziehen, da die höheren Temperaturen, die für das Aufdampfen benötigt werden, zu unerwünschter Legierungsbildung des Metalls im Halbleiter führen kann, welches zu einer rauhen Grenzflächenmorphologie führt, welches die Reflexionseigenschaften des Spiegels verschlechtert. Nach der Abscheidung der Barrierenschicht wird eine obere, optisch transparente Halbleiterelektrode 23 oben auf der Struktur abgeschieden. Die obere Elektrode wird in einer Dicke abgeschieden, die ausreicht, das Halbleitermaterial der Elektrode in die Lage zu versetzen, als Anschlußleiter für die Einrichtung zu wirken, und dennoch nicht ausreicht, die Laseremission vom oberen Spiegel wesentlich zu senken. Für derartige Halbleitermaterialien, wie z.B. Cadmiumzinnoxid und Indiumzinnoxid, liegt eine effektive Dicke in einem Bereich von 50 bis 500 nm. Eine dünne Bodenelektrodenschicht 11, beispielsweise aus In, kann dann auf der Bodenoberfläche des Substrats 12 ausgebildet werden. Letztlich kann der Boden oder die Substratseite des Lasers mittels der In-Elektrode oder mittels eines leitfähigen Klebstoffs, wie z.B. Epoxidharz, auf einem Kupferstab befestigt werden, der als Wärmesenke gemeinsam für andere Einrichtungen dient.
  • In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die VCSEL AlxGa1-xAs/GaAs, wobei x hier nachfolgend für jede Halbleiterschicht der Struktur geeignet definiert wird. Die Laserstruktur umfaßt in aufsteigender Folge eine 1 bis 2 um dicke In-Elektrode 11, ein 500 um dickes (001)-orientiertes, stark dotiertes (2x10¹&sup8; cm&supmin;³) n&spplus;-GaAs-Substrat 12, einen Bodenspiegel 13, der einen Viertel-Wellenlängen-Stapel von 30 Perioden aus n&spplus;-Typ-Halbleiterschichten, die den Mehrlagenbodenspiegel mit verteiltem Bragg-Reflektor (DBR) ausbilden. Jede Periode des Bodenspiegels ist eine Ein- Schritt-Gradientenstruktur aus Al0,14Ga0,86As (500 Å) / Al0,57Ga0,43As(100 Å) / AlAs(580 Å) /Al0,57Ga0,43As(100 Å). Diese ist Si-dotiert mit einer Dotierungskonzentration von 3x10¹&sup8; cm³ nahe dem Substrat, die dann auf 1x10¹&sup8; cm&supmin;³ in den letzten 6 bis 10 Perioden nahe der aktiven Schicht gesenkt wird. Das Reflektivitätsspektrum der DBR-Struktur (Bodenspiegel 13) mit einer Einstufen-Gradientenstruktur, gemessen mit einem Perkin-Elmer Lambda 9 UV/VIS/NIR- Spektrophotometer, zeigte ein breites, hochreflektierendes Band, das um 0,87 um zentriert war, mit einer Reflektivität von > 99 %, welches mit einer berechneten Reflektivitätskurve sehr gut übereinstimmte.
  • Der Bodenschicht folgt eine n&spplus;-Einschlußschicht 14, eine p&supmin;-Schicht aktiven Bereichs 15 von vier GaAs/AlGaAs-Quantentrogstrukturen mit ungefähr 0, 1 um Gesamtdicke und eine n&spplus;-Einschlußschicht 16. Jede Einschlußschicht ist ungefähr 820 Å dick. Die vier GaAs/AlGaAs-Quantentrogstrukturen des aktiven Bereichs sind in einem Riber-MBE-System aufgewachsen. Der aktive Bereich ist undotiert und besteht aus vier 100 Å-GaAs-Quantentrögen mit 70 Å-Al0,3Ga0,7As-Barrieren. Der aktive Bereich ist oberhalb und am Boden durch jeweilige Einschlußschichten 14 und 16 ummantelt. Ein Drittel jeder Einschlußschicht ist nahe des aktiven Bereichs undotiert, und der Rest ist leicht dotiert (1x10¹&sup6; bis 1x10¹&sup7;). Jede Einschlußschicht ändert sich linear, d.h. mit Gradienten versehen (Linear Graded), in Bezug auf AlxGa1-xAs, wobei sich x von 0,3 bis zu 0,57 nahe den Spiegeln ändert. Diese Heterostruktur mit separatem Einschluß und sich änderndem Brechungsindex (Graded-Index, Separate-Confinement Heterostructur) hilft, die Ladungsträger einzuschließen, und senkt den Laserschwellenwertstrom.
  • Der obere p-Typ-Spiegel 17 ist ein Halbleiterspiegel mit 20 Perioden, der ebenfalls einen Ein- Schritt-Gradienten aufweist, um den Serienwiderstand zu senken. Jede Periode des oberen Spiegels hat eine Struktur aus Al0,14Ga0,86As (500 Å)/Al0,57Ga0,43As (100 Å)/ AlAs (580 Å)/Al0,57Ga0,43As (100 Å). Diese ist mit einer Dotierungskonzentration von 5x10¹&sup8; cm&supmin;³ in den ersten 16 Perioden Be-dotiert. Dann wird die Dotierstoffkonzentration auf 2x10¹&sup9; cm&supmin;³ nahe deren oberer Oberfläche angehoben, um das Kontaktieren zu unterstützen.
  • Bei diesem Herstellungschritt kann die unvollständige Laserstruktur mit Reflektivitätsmessungen unter Verwendung eines optischen Anritsu-MS9001B- Spektrumanalyzers untersucht werden. Die Reflektivitätsmessungen zeigten Fabry-Perot-Resonanz als klare Einsenkung im Stoppband. Dann wird der ionenimplantierte Bereich 18 durch Implantation von 300 keV H&spplus;-Ionen (oder 2000 keV O&spplus;-Ionen) mit einer Dosis von 1x10¹&sup5; cm&supmin;² in den oberen Spiegel 17 mit einem 10 bis 20 um Durchmesser-Fenster, geschützt durch 6,2 um dicken Photoresist (beispielsweise Shipley AZ-Photoresist 4200) implantiert. Nach der Ausbildung des ionenimplantierten Bereichs 18 und mit dem Photoresist noch an seinem Ort wird eine 500 bis 5000 Å dicke, vorzugsweise 1000 bis 2000 Å dicke SiO&sub2;-Schicht 20 auf der Oberfläche der oberen Spiegelschicht bei 100ºC in einer Hochvakuumkammer durch Elektronenstrahlaufdampfen aufgewachsen. Danach wird der Photoresist mit Aceton entfernt und, nachdem die SiO&sub2;- Schicht und die Oberfläche des oberen Spiegels, die im Fenster 21 freiliegt, plasmagereinigt wurden, eine Silberschicht von 10 bis 50 Å Dicke (vorzugsweise durch Aufdampfen) auf der SiO&sub2;-Schicht abgeschieden und ebenfalls auf der freiliegenden Oberfläche des oberen Spiegels abgeschieden.
  • Die Elektrode 23 aus Cadmiumzinnoxid (oder Indiumzinnoxid) wird oben auf der Barrierenelektrode 22 mit einer Dicke von ungefähr 50 bis 500 nm, vorzugsweise 200 bis 300 nm, ausgebildet. In diesem Dickenbereich ist die Elektrode 23 optisch ausreichend transparent für die Laseremission, welches deren Verwendung als obere Elektrode der VCSEL ermöglicht. Dicken von mehr als 500 nm können zu einem erhöhten Serienwiderstand ohne irgendeine Verbesserung des Laserwirkungsgrades ergeben.
  • Für das Aufwachsen der optisch transparenten Halbleiterschicht 23 wird ein Hochfrequenzmagnetron- Sputtersystem (Anelva Corp., Modell SPF-332H) verwendet. Bei einer beispielhaften Ausführungsform war das Target eine gesinterte Scheibe (3 Inch Durchmesser, 1/4 Inch Dicke) einer Mischung aus ungefähr 67 % CdO und ungefähr 33 % SnO&sub2; (Haselden, San Jose, CA). Das Target wurde 5 cm oberhalb der Proben befestigt. Die Plattenspannung betrug 1,5 KV und der Plattenstrom ungefähr 110 mA. Eine Abscheidungsrate von 3 Å/s wurde während des Aufwachsens aufrechterhalten. Das Sputtergas war eine Mischung aus Argon und Sauerstoff bei einem Gesamtdruck von 3 bis 4 Pa. Der spezifische Widerstand des Cadmiumzinnoxid-(CTO)-Films hing stark von dem Partialdruck des Sauerstoffs ab. Minimaler Widerstand wird für einen Sauerstoffpartialdruck PO2 von ungefähr 2-4x10&supmin;² Pa in 2-4 Pa Argon erhalten. Der Cadmiumzinnoxid- Film wurde mit einer Dicke von ungefähr 2000 Å abgeschieden. Dieser hatte vernachlässigbare Absorption (weniger als 1 %, die durch die Fähigkeiten des Aufbaus beschränkt war) bei 0,85 um. Der spezifische Widerstand dieses Films ist ungefähr 5x10&supmin;&sup4; &Omega;-cm. Für vorstehendes Target, Spannung, Strom und Argondruck wurde herausgefunden, daß der spezifische Widerstand schnell für PO2 von 1x10&supmin;² und höcher ansteigt. Ein gepuffertes Standardoxidätzmittel wurde verwendet, um die abgeschiedene Cadmiumzinnoxidschicht in dem Verfahren der Bauteilisolierung zu ätzen. Eine obere Elektrode aus Indiumzinnoxid-(ITO)-Material kann in ähnlicher Weise hergestellt werden.
  • Vor Kennzeichnung der Lasereigenschaften wurde die Substratseite der Probe mit leitfähigem Epoxidharz auf einem Kupferstab aufgeklebt, der als Wärmesenke diente. Es wurde keine andere Kühlung verwendet. Alle Experimente wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Eine spitze Sonde wurde verwendet, um den Laser elektrisch zu kontaktieren und zu pumpen. Der Strom wurde vertikal durch den Fensterbereich, wie durch in Fig. 1 dargestellte Pfeile gezeigt, injiziert, und der verbleibende Bereich der Bauteiloberfläche wird von der oberen Elektrode mit der SiO&sub2;-Schicht 20 isoliert.
  • Fig. 2 zeigt die Dauerstrich-Lichtausgangsleistung als Funktion des direkten Stroms. Die Lichtausgangsleistung wurde gemessen mit einem optischen ANDO AQ-1125- Leistungsmeßgerät, das bei 0,85 um kalibriert war. Der Laserschwellenwertstrom betrug 4,2 mA mit ungefähr 35 % externem differentiellem Quantenwirkungsgrad bei einer Laserwellenlänge von ungefähr 0,85 um. Schwellenwertströme so niedrig wie etwa 3,8 mA waren erreichbar. Eine 50 Å dicke Barrierenschicht 22 verursacht eine geringe Minderung der Laserausgangsleistung (ungefähr 10 %). Fig. 3 zeigt die Strom-Spannungs-Kurve, die eine Spannung von 5,4 V und einen differentiellen Serienwiderstand von 430 &Omega; bei dem Laserschwellenwert von 4,2 mA zeigt. Fig. 4 stellt die Fernfeldlichtintensitätsverteilung, gemessen mit einem Detektor-Probenabstand von 8,3 cm, dar. Die Verteilung ist gaussartig, welches einen Betrieb mit einem einzelnen fundamentalen transversalen Mode anzeigt, mit einer vollen Breite bei halbem Maximum von 7º. Die Messung wurde in Intervallstufen von ungefähr 0,35º durchgeführt, jede mit einer Auflösung, die besser als 0,2º war.
  • Es ist ebenfalls möglich, in nicht erfindungsgemäßer Weise eine Struktur ohne den Ionenimplantationsbereich 18 herzustellen. In einem solchen Fall wird der obere Spiegel 17 mesa-geätzt und direkt am oberen Fensterbereich geprüft. Eine Einrichtung mit einer 40 um Durchmesser-Mesa ergibt einen gepulsten (100 ns, 1 kHz) Schwellenwertstrom von 40 mA, der eine Schwellenwertstromdichte von 3 kA/cm² (s. Fig. 5) ergibt. Mehr als 30 % Senkung der Lichtausgangsleistung rührt von einer 300 Å dicken Ag-Barrierenschicht in dieser Probe und der Blockierung durch die Prüfspitze selbst her. Die Lichtausgangsleistung bei 140 mA betrug 6,5 mW.

Claims (19)

1. Oberflächenemittierender Halbleiterlaser (10) mit vertikaler Kavität mit einem Halbleiterkörper, der eine Vielzahl von Schichten umfaßt, die ausgewählt sind aus GaAs, InP, InGaAs, InGaPAs, AlAs, AlGaAs, AlGaInAs und anderen verwandten Verbindungshalbleitern der Gruppe III-V und der Gruppe II-VI, wobei die Vielzahl von Schichten umfaßt:
einen aktiven Bereich (15), der optische Strahlung erzeugt,
einen Mehrlagen-Bodenspiegel (13), der die Strahlung reflektiert,
einen oberen Mehrlagen-Spiegel (17), der die Strahlung in einer Richtung senkrecht zum aktiven Bereich teilweise durchläßt und teilweise reflektiert, wobei der obere Spiegel einen ionenimplantierten Bereich (18) umfaßt, der in den Schichten des oberen Spiegels am Umfang angeordnet ist und ein Fenster (19) definiert, um den Durchtritt von Strom und von Laseremission auf einen durch das Fenster definierten Bereich einzuschließen,
eine dielektrische Schicht (20) auf dem oberen Spiegel, wobei die dielektrische Schicht ein zu dem Fenster in den ionenimplantierten Bereich ausgerichtetes Fenster (21) hat,
eine metallische Barrierenschicht (22), die auf der dielektrischen Schicht ist und die Oberfläche der oberen Spiegelschicht kontaktiert, die im Fenster der dielektrischen Spiegelschicht freiliegt,
eine Schicht aus einem optisch transparenten Halbleitermaterial (23) auf der Metallbarrierenschicht, die eine obere Elektrode des Lasers ausbildet, wobei die optisch transparente Schicht eine spezifische Leitfähigkeit im Bereich von 1 x 10³ bis 1 x 10&sup5; &Omega;&supmin;¹ cm&supmin;¹ hat, eine Lichtdurchlässigkeit für emittiertes Laserlicht von wenigstens 80 % und eine Absorption von weniger als 10 % hat und mit
einer Bodenelektrode (11) zum Anlegen eines Anregungsstroms zusammen mit der oberen Elektrode in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zur Hauptebene des aktiven Bereichs und im wesentlichen parallel zur Richtung der Ausbreitung der optischen Strahlung.
2. Laser nach Anspruch 1, in welchem das optisch transparente Halbleitermaterial der oberen Elektrode aus der aus Cadmiumzinnoxid und Indiumzinnoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
3. Laser nach Anspruch 2, in welchem die Dicke der oberen Elektrode von 50 bis 500 nm reicht.
4. Laser nach Anspruch 2, in welchem die Dicke der oberen Elektrode von 200 bis 300 nm reicht.
5. Laser nach Anspruch 1, in welchem das Metall der metallischen Barrierenschicht aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Ag, Au, AuBe, AuZn, Cr, Ti besteht.
6. Laser nach Anspruch 5, in welchem das Metall Silber ist.
7. Laser nach Anspruch 6, in welchem die Dicke der Silberschicht von 10 bis 50 Å reicht.
8. Laser nach Anspruch 1, in welchem das dielektrische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus SiO&sub2;, Si&sub3;N&sub4; und Vycor -Glas besteht.
9. Laser nach Anspruch 8, in welchem das dielektrische Material in einer Dicke von 0,01 bis 0,1 um abgeschiedenes SiO&sub2; ist.
10. Laser nach Anspruch 1, in welchem der Bodenspiegel ein Mehrlagen-Spiegel mit verteilter Bragg-Reflexion mit von 10 bis 40 Perioden ist.
11. Laser nach Anspruch 10, in welchem der Bodenspiegel eine Struktur mit 30 Perioden ist.
12. Laser nach Anspruch 11, in welchem der aktive Bereich GaAs ist und jede Periode ein Paar von Viertel-Wellenlängen-Schichten umfaßt, die aus AlAs und GaAs und aus AlAs und Al0,05Ga0,95As ausgewählt sind.
13. Laser nach Anspruch 12, in welchem die aktive Schicht GaAs ist und jede Periode eine Struktur enthält, die Al0,14Ga0,86As, 500 Å/Al0,57Ga0,43As, 100 Å/AlAs, 580 Å/Al0,57Ga0,43As, 100 Å enthält.
14. Laser nach Anspruch 12, in welchem die Spiegelstruktur einen linearen Gradienten hat.
15. Laser nach Anspruch 12, in welchem die Spiegelstruktur eine Gradienten-Übergitter- Struktur ist.
16. Laser nach Anspruch 1, in welchem der obere Spiegel ein einstufiger Gradienten- Mehrlagen-Spiegel mit verteilter Bragg-Reflexion von 2 bis 20 Perioden ist.
17. Laser nach Anspruch 16, in welchem die aktive Schicht GaAs ist und jede Periode des Spiegels aus einer Struktur besteht, die Al0,14Ga0,86As, 500 Å/Al0,57Ga0,43As, 100 Å/AlAs, 580Å/Al0,57Ga0,43As, 100 Å enthält.
18. Laser nach Anspruch 1, in welchem der ionenimplantierte Bereich aus H&spplus; und O&spplus; ausgewählte Ionen enthält.
19. Laser nach Anspruch 18, in welchem das Ion H&spplus; ist.
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