DE69120614T2 - Elektrophotonische Vorrichtung mit vertikalem Resonator vom "vertical to surface" Übertragungstyp - Google Patents
Elektrophotonische Vorrichtung mit vertikalem Resonator vom "vertical to surface" ÜbertragungstypInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrophotonische Vorrichtung mit vertikalem Resonator vom "vertikal to surface" Übertragungstyp (nachstehend als "VC-VSTEP"-Vorrichtung) bezeichnet und insbesondere eine VC-VSTEP-Vorrichtung, die in einem parallelen Lichtübertragungssystem hoher Dichte, einem optischen Informationsverarbeitungssystem, usw. einsetzbar ist.
- Eine elektrophotonische Vorrichtung vom "vertikal to surface" Übertragungstyp (nachstehend als "VSTEP"-Vorrichtung) bezeichnet, in welcher Licht von und in der Vorrichtung in der vertikalen Richtung zu einem Halbleitersubstrat ausgesendet und empfangen wird, ist eine Schlüsselvorrichtung, welche für eine Datenübertragung zwischen Computern und für optische Berechnungen darin unverzichtbar ist.
- Eine lichtemittierende elektrophotonische Vorrichtung vom "vertikal to surface" übertragungstyp (nachstehend als "LED- VSTEP"-Vorrichtung bezeichnet), ist eine von herkömmlichen VSTEP-Vorrichtungen. In der LED-VSTEP-Vorrichtung tritt eine Lichtemission eines spontanen Emissionsmodus in der vertikalen Richtung zu einem Halbleitersubstrat auf.
- Ein optoelektronischer Schalter mit Doppelheterostruktur wird von Kasahara et al. in Appl. Phys. Lett., Vol. 52, Nr.9, Seiten 679 bis 681 (29. Februar 1988) beschrieben.
- Eine Laserdioden-VSTEP-Vorrichtung mit induziertem Emissionsmodus (nachstehend als "LD-VSTEP"-Vorrichtung bezeichnet) ist ebenfalls bereits entwickelt und ist die andere der herkömmlichen VSTEP-Vorrichtungen. Diese VSTEP-Vorrichtung weist einen in der Richtung horizontal zu einem Halbleitersubstrat ausgebildeten Resonator auf und kann einen Reflexionsspiegel aufweisen, der so angeordnet ist, daß er einen Winkel von 45º relativ zu einer aktiven Schicht aufweist, so daß Licht in der vertikalen Richtung zu dem Substrat emittiert wird, wie es auf den Seiten 329 bis 331 von Appl. Pys. Lett., Vol. 54, Nr. 4, Januar 1989 beschrieben wird. Ein Oberflächenemissionslaser mit vertikalem Resonator ist aus der US-A-4 949 350 bekannt.
- Die herkömmliche LED-VSTEP-Vorrichtung weist jedoch Nachteile dahingehend auf, daß der elektrophotonische Umwandlungswirkungsgrad nicht hoch, die Frequenzreaktionsgeschwindigkeit nicht schnell und die Ausgangslicht-Richtwirkung nicht so gut wie erwartet ist, da die Lichtemission auf einem spontanen Emissionsmodus beruht.
- Zusätzlich weist die herkömmliche LD-VSTEP-Vorrichtung Nachteile dahingehend auf, daß die Größe der Vorrichtung nur schwierig klein zu halten ist, da ein Resonator in der Richtung horizontal zu dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und der Lichtabsorptionswirkungsgrad an derselben Wellenlänge wie einer oszillationswellenlänge niedrig ist, da eine Absorptionsschicht und eine aktive Schicht getrennt voneinander vorgesehen sind. Ein weiterer Nachteil bei der herkömmlichen LD-VSTEP-Vorrichtung besteht darin, daß die Photoempfindlichkeit in dem Fall geringer wird, wenn Vorrichtungen in Reihe geschaltet sind.
- Demzufolge ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine VC- VSTEP-Vorrichtung bereitzustellen, aus welcher eine Lichtemission in induziertem Emissionsmodus in der vertikalen Richtung zu einem Halbleitersubstrat ohne die Notwendigkeit eines 45º-Reflexionsspiegels auftritt.
- Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine VC-VSTEP- Vorrichtung bereitzustellen, welche vorgegebene Eigenschaften im elektrophotonischen Umwandlungswirkungsgrad, in der Frequenzreaktionsgeschwindigkeit und in der Ausgangslicht-Richtwirkung aufweist.
- Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine VC-VSTEP- Vorrichtung bereitzustellen, welche kleine Abmessungen aufweisen kann.
- Es ist eine noch weitere Aufgabe der Erfindung, eine VC- VSTEP-Vorrichtung bereitzustellen, welche einen vorgegebenen Lichtabsorptionswirkungsgrad und eine vorgegebene Photoempfindlichkeit aufweist.
- Erfindungsgemäß wird eine VC-VSTEP-Vorrichtung gemäß Spezifikation in den beigefügten Ansprüchen bereitgestellt.
- Die Erfindung wird detaillierter in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht, welche eine herkömmliche LED-VSTEP-Vorrichtung darstellt;
- Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht, welche eine herkömmliche LD-VSTEP-Vorrichtung darstellt;
- Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht, welche eine VC- VSTEP-Vorrichtung in einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
- Fig. 4 ein Erläuterungsdiagramm zur Erläuterung der Erhöhung der Lichtabsorption in der VC-VSTEP-Vorrichtung;
- Fig. 5 eine graphische Darstellung einer Eigenschaft des Lichtausgangssignals bezogen auf den Strom und des Stroms bezogen auf die Spannung in der VC-VSTEP-Vorrichtung;
- Fig. 6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Steilheitswirkungsgrades und der Oszillationsschwellenverstärkung und der Stromdichte bezogen auf die Anzahl von unteren verteilten Braggreflektor-(nachstehend als "DBR" bezeichneten)-Spiegelschichten; und
- Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Lichtabsorptionsfaktors und der Lichtschaltenergie bezogen auf die Anzahl unterer DBR-Spiegelschichten.
- Vor der Beschreibung einer erfindungsgemaßen VC-VSTEP- Vorrichtung werden die vorgenannte herkömmliche LED-VSTEP- Vorrichtung und LD-VSTEP-Vorrichtung in den Fig. 1 und 2 beschrieben.
- Fig. 1 stellt die herkömmliche LED-VSTEP-vorrichtung dar, welche ein Halbleitersubstrat 11 aus Si-GaAs, eine Pufferschicht 12 aus n-GaAs, eine Kathodenschicht 13 aus n-AlGaAs, eine Ladungsflächenschicht 14 aus p-GaAs, eine Gateschicht 15 aus n-GaAs, eine Anodenschicht 16 aus p-AlGaAs und eine Abdeckschicht 17 aus p-GaAs aufweist. Die herkömmliche LED- VSTEP-Vorrichtung weist ferner eine an der Abdeckschicht 17 vorgesehene Anodenelektrode 18 und eine auf der Pufferschicht 12 vorgesehene Kathodenelektrode 19 auf.
- Im Betrieb wird eine vorgegebene Vorspannung über die Anoden- und Kathodenelektrode 18 und 19 angelegt, so daß Ausgangslicht in spontanem Emissionsmodus in der vertikalen Richtung zu dem Substrat 11 aus der Öffnung der Anodenelektrode 18 gemäß Darstellung durch einen Pfeil austritt.
- Fig. 2 stellt die herkömmliche LD-VSTEP-Vorrichtung dar, welche ein Halbleitersubstrat 21 aus n-GaAs, eine Pufferschicht 22 aus n-GaAs, eine Kathodenschicht 23 aus n- Al0,4Ga0,6As, eine p-Gateschicht 24 aus p+-Al0,25Ga0,75As, undotierte Schichten 25 und 27 aus i-Al0,25Ga0,75As, eine aktive Schicht 26 aus i-GaAs, eine n-Gateschicht 28 aus n-Al0,25Ga0,75As, eine Anodenschicht 29 aus p-Al0,4Ga0,6As, eine Abdeckschicht 30 aus p+-GaAs, und eine Isolationsfilmschicht 31 aus SiO&sub2; aufweist. Die LD-VSTEP-Vorrichtung weist ferner eine p-Elektrode 32 aus Au/Cr, die teilweise mit der Abdeckschicht 30 in Kontakt steht, und eine n-Elektrode 33 aus AuGaNi auf, welche auf der Rückseite des Substrats 21 vorgesehen ist.
- Anschließend wird eine VC-VSTEP-vorrichtung einer bevorzugten Ausführungsform in Fig. 3 erläutert.
- Auf einem Halbleitersubstrat 41 aus n-GaAs sind ein unterer DBR-Spiegel 42 mit einer Dotierungskonzentration von 5 x 10¹&sup7; cm&supmin;³, eine p-GaAs-Schicht 43 mit einer Dotierungskonzentration von 1 x 10¹&sup9; cm&supmin;³ und einer Dicke von 5 nm, eine undotierte Al0,25Ga0,75As-Schicht 44 mit einer Dicke von weniger als 150 nm, eine undotierte In0,2Ga016As-Schicht 45 für eine aktive Schicht, die drei Quantenquellschichten jeweils mit einer Dicke von 10 nm enthält (wobei im Detail jede Quantenschicht eine 10 nm Quellschicht aus In0,2Ga0,8As und eine lonm Grenzschicht aus Al0,25Ga0,75As enthält), eine undotierte Al0,25Ga0,75As-Schicht 46 mit einer Dicke von weniger als 50 nm, eine n-GaAs-Schicht 47 mit einer Dotierungskonzentration von 3 X 10¹&sup7; cm&supmin;³ und einer Dicke von weniger als 100 nm und ein oberer DBR-Spiegel 48 mit einer Dotierungskonzentration von 5 x 10¹&sup8; cm&supmin;³ nacheinander mittels des Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens aufgewachsen. Der untere DBR-Spiegel 42 besteht aus 14,5 Paaren von n-GaAs- Schichten 49 mit jeweils einer Dicke von etwa 67,2 nm und aus n-AlAs-Schichten 50 mit jeweils einer Schichtdicke von etwa 80,4 nm, welche abwechselnd aufgewachsen sind, und der obere DBR-Spiegel 48 besteht aus 15 Paaren von p-GaAs-Schichten 51 mit jeweils einer Dicke von etwa 67,2 nm und aus p-AlAs- Schichten 52 mit jeweils einer Schichtdicke von etwa 80,4 nm, welche abwechselnd aufgewachsen sind. Zusätzlich sind eine n- Elektrode 53 auf der Rückseite des Substrats 41 und eine p- Elektrode 54 auf dem oberen DBR-Spiegel 48 vorgesehen.
- In der VC-VSTEP-Vorrichtung stellen die p-GaAs-Schicht 43 und die i-GaAs-Schicht 44, und die i-GaAs-Schicht 46 und die n-GaAs-Schicht 47 optische Leiterschichten 55 bzw. 56 bereit, und die optischen Leiterschichten 55 und 56 und die aktive Schicht 45 stellen eine Zwischenschicht 57 bereit. Eine Dicke der Zwischenschicht 57 ist in dieser bevorzugten Ausführungsform auf das n-fache der Wellenlänge in dem Laseroszillationsmedium festgelegt, wobei n eine ganze Zahl ist. Hier liegt die Wellenlänge bei etwa 0,3 µm, wobei angenommen wird, daß eine Resonatorwellenlänge 950 nm ist.
- Im Prinzip ist eine VSTEP-Vorrichtung eine Licht emittierende und empfangende Vorrichtung, welche Funktionen einer Schwellenwertverarbeitung und eines Speicher aufweist, da sie eine pnpn-Struktur enthilt. In der VC-VSTEP-Vorrichtung haben die Quantenmuldenschichten 45 die Funktion einer aktiven Schicht zum EIN-Zeitpunkt und einer Absorptionsschicht zum AUS-Zeitpunkt, und man erwartet, daß sich der Absorptionseffekt vergrößert, und daß ein Absorptionswellenlängenband und eine oszillationswellenlänge durch einen vertikalen Resonator gleich werden, welcher in asymmetrischer Form darin bereitgestellt wird.
- Gemäß vorstehender Beschreibung weist die aktive Schicht 45, welche als Absorptionsschicht zum AUS-Zeitpunkt dient, nur eine Dicke von 30 nm auf. Üblicherweise beträgt ein Lichtabsorptionsfaktor, welcher in einer Absorptionsschicht solcher dünner Dicke erzielt wird, nicht mehr als etwa 3%, auch wenn ein Absorptionskoeffizient von 10000 cm&supmin;¹ angenommen wird, der als höchster Wert betrachtet wird. In der vorliegenden Erfindung wird jedoch der Lichtabsorptionsfaktor durch den Effekt einer Mehrfachreflexion, der von den Mehrfach-Reflexionsschichten der oberen und unteren DBR-Spiegel 42 und 48 (Resonatoreffekt) bewirkt wird, wesentlich größer In der Erfindung ist eine Dicke der die aktive Schicht 45 einschließenden Zwischenschicht 57 auf einen n-fachen Wert einer Resonanzwellenlänge in dem Medium festgelegt, so daß die in den unteren und oberen DBR-Spiegeln 42 und 48 reflektierten Lichtanteile außer Phase sind. Demzufolge wird Licht mit einer Wellenlänge, welche gerade mit dem Resonator in Resonanz kommt, mit der höchsten Intensität von dem unteren und oberen DBR-Spiegel 42 und 48 reflektiert, so daß sich die reflektierten Lichtanteile außerhalb des Resonators aufheben, da die Wellen außer Phase sind. In der Erfindung ist die asymmetrische Resonatorstruktur so optimiert, daß die oberen und unteren DBR-Spiegel 42 und 48 mit unterschiedlichen Reflexionsfaktoren versehen sind, welche auf der Berücksichtigung eines Absorptionskoeffizienten der aktiven Schicht 45 basieren, so daß die Reflexion und Transmission nahezu vernachlässigbar sind und der Absorptionsfaktor groß sein kann.
- Fig. 4 stellt eine Lichtintensitätsverteilung ID in der Zwischenschicht 57 und in den unteren und oberen Spiegeln 42 und 48 und eine Brechungsindexverteilung ND darin dar. Wie darin deutlich dargestellt ist, wird die Brechungsindexverteilung ND durch die Brechungsindizes N&sub1; (=2,9) der AlAs Schichten und N&sub2; (= 3,6) der GaAs-Schichten für die oberen und unteren DBR-Spiegel 42 und 48 und durch einen Brechungsindex N&sub3; für die Zwischenschicht 47, welcher höher als der Brechungsindex N&sub1; und niedriger als der Brechungsindex N&sub2; ist, zusätzlich zu einem Brechungsindex N&sub0; von Luft, der hierin mit "1" dargestellt ist, bestimmt. Bei dieser Brechungsindexverteilung ND wird ein Eingangslicht durch den unteren DBR-Spiegel 42 und die Zwischenschicht 57 durchgelassen und an einer Grenzschicht zwischen der Zwischenschicht 57 und dem oberen Spiegel 48 und einer Grenzschicht zwischen der Zwischenschicht 57 und dem unteren DBR-Spiegel 42 wiederholt, wie durch einen Pfeil dargestellt, reflektiert. Bei dieser Lichtreflexion tritt ein Phasenunterschied von π zwischen den zwei Grenzschichten auf. Gemäß vorstehender Beschreibung ist die Anzahl der oberen und unteren DBR-Spiegel 42 und 48 optimiert, so daß die Erhöhung der Lichtintensität in der Zwischenschicht 57 auftritt, um einen Absorptionsfaktor in Größe von etwa 99,92% zu erzeugen, trotz der Struktur, in welcher die Absorptionsschicht (die aktive Schicht 45) nur 30 nm dick ist. Somit wird die dargestellte Lichtintensitätsverteilung ID erhalten.
- Üblicherweise liegt die Wellenlänge einer Laseroszillation auf einem Energiepegel, welcher niedriger als der eines Absorptionsbandes ist, so daß ein Problem dahingehend auftritt, daß ein Absorptionskoeffizient der Absorptionsschicht (einer aktiven Schicht) bei der Oszillationswellenlänge niedrig wird. In der Erfindung wird jedoch Laserlicht effektiv absorbiert, da eine umgekehrte Vorspannung an die Absorptionsschicht (die aktive Schicht 45) zum AUS-Zeitpunkt angelegt wird, um einen Quanteneinschluß zu bewirken, so daß ein Absorptionsband durch den optischen Stark-Effekt in die Richtung einer langen Wellenlänge verschoben wird.
- Wenn im Betrieb eine Vorspannung über die n- und p-Elektroden 53 und 54 angelegt wird, erfolgt der Eintritt und der Austritt des Lichts über das n-GaAs-Substrat 41.
- Fig. 5 stellt ein Lichtausgangssignal bezogen auf einen Strom dar, der durch die VC-VSTEP-Vorrichtung (Fig. 3) fließt, welche einen Größe von 20 x 20 µm² aufweist, und die bei Raumtemperatur durch einen daran anzulegenden Impuls eingeschaltet wird, der eine Breite von 20 ns, eine Wiederholungsrate von 50 kHz und ein Tastverhältnis von 1/1000 aufweist, und weiter einen Strom bezogen auf eine Spannung in der Form des im selben Zustand an die VC-VSTEP-Vorrichtung angelegten Impulses dar. Gemäß Darstellung darin beträgt die maximale Lichtausgangsleistung 127 mW. Andererseits beträgt eine Schaltspannung zum Einschalten der VC-VSTEP-Vorrichtung 6 V und eine Haltespannung für den EIN-Zustand beträgt 2 V. Diese Spannungen sind dieselben wie die einer aufzubauenden VC-VSTEP-Vorrrichtung.
- Fig. 6 stellt einen Steilheitswirkungsgrad und eine Oszillationsschwellenverstärkung und Stromdichte bezogen auf die Anzahl von Schichten in dem unteren DBR-Spiegel 42 der VC-VSTEP-Vorrichtung dar, wobei der Steilheitswirkungsgrad und die oszillationsschwellenverstärkung und die Stromdichte in der VC-VSTEP-Vorrichtung mit dem aus 15 Paaren bestehenden oberen DBR-Spiegel und der p-Elektrode aus Au gemäß Darstellung durch die Punkte P&sub1; bis P&sub4; bei einer Anzahl von 14,5 Paaren (die bevorzugte Ausführungsform) bzw. 24,5 Paaren gemessen sind. Wie darin deutlich dargestellt ist, wird der Steilheitswirkungsgrad von 0,06 mW/mA bei 24,5 Paaren auf 0,32 mW/mA bei 14,5 Paaren etwa um das Fünffache gemäß Darstellung durch die Punkte P&sub1; und P&sub2; verbessert. In gleicher Weise werden die oszillationsschwellenverstärkung und die Stromdichte gemäß Darstellung durch die Punkte P3 und P4 ebenfalls um etwa das Dreifache verbessert. Gleichzeitig sind eine durchgezogene und eine gestrichelte Kurve, welche durch Berechnung erhalten werden, ebenfalls dargestellt, um die Verbesserung der Oszillationsschwellenverstärkung und Stromdichte und des Steilheitswirkungsgrades zu zeigen. Für die oszillationsschwellenverstärkung und Stromdichte stimmen die Ergebnisse des Experiments und der Berechnung überein. Für den Steilheitswirkungsgrad ist jedoch das vom Experiment durch den Punkt P&sub2; dargestellte Ergebnis niedriger als das durch die gestrichelte Kurve dargestellte Berechnungsergebnis, da ein Reflexionsfaktor der p-Elektrode aus Au-Zn niedriger als der einer p-Elektrode aus Au ist, und ein Dispersionsverlust in den unteren und oberen DBR-Spiegeln nicht berücksichtigt ist.
- Fig. 7 stellt einen Absorptionsfaktor und eine optische Schaltenergie bezogen auf die Anzahl der Schichten in dem unteren DBR-Spiegel 42 derselben VC-VSTEP-Vorrichtung wie der in Fig. 6 verwendeten dar, in welcher ein Absorptionskoeffizient der aktiven Schicht 45 einen Wert von 3000 cm&supmin;¹ aufweist, wobei die Punkte P&sub1; und P&sub2; Experiment-Ergebnisse darstellen, während eine durchgezogene Kurve ein Berechnungsergebnis darstellt. Die optische Schaltenergie verbessert sich von 14 pJ bei 25 Paaren auf 0,5 pJ bei 15 Paaren um etwa das Dreißigfache, wenn die VC-VSTEP-vorrichtung zu einer VC- VSTEP-Vorrichtung umgewandelt wird, die eine Größe von 10 x 10µm² und eine Schaltgeschwindigkeit von 10 ns aufweist. Dieser verbesserte Wert ist derselbe wie ein Auslegungswert und es wird angenommen, daß dieses Ergebnis auf der Erhöhung der Lichtabsorption durch den asymmetrischen Resonator basiert.
- Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf eine spezifische Ausführungsform für eine vollständige und klare Offenbarung beschrieben wurde, ist die grundlegende Lehre in den beigefügten Ansprüchen beschrieben.
Claims (3)
1. Elektrophotonische Vorrichtung mit vertikalem Resonator
und übertragung vertikal zur Oberfläche mit:
einer Quantenguellstruktur (45), die als eine
Lichtabsorptionsschicht und als eine aktive Schicht für
Lichtemission dienen kann;
einer ersten (55) und zweiten (56) optischen
Leiterstruktur eines ersten bzw. zweiten Leitungstyps, die
oberhalb und unterhalb der Quantenquellstruktur (45)
vorgesehen sind;
einer ersten (42) und zweiten (48) mehrschichtigen
Spiegelstruktur des zweiten bzw. ersten Leitungstyps, die
oberhalb der ersten optischen Leiterstruktur (55) und
unterhalb der zweiten optischen Leiterstruktur (56)
bereitgestellt sind;
wobei eine Gesamtdicke der Quantenquellstruktur (45)
und der ersten und zweiten optischen Leiterstruktur (55
bzw. 56) auf ein n-faches einer Oszillationswellenlänge
in der Quantenquellstruktur (45) und in der ersten und
zweiten optischen Leiterstruktur (55 bzw. 56) eingestellt
ist, wobei n eine ganze Zahl ist, und sich
Reflexionsfaktoren der ersten und zweiten mehrschichtigen
Spiegelstrukturen voneinander für einen normalen Einfall und bei
der Resonanzwellenlänge unterscheiden, um einen
vertikalen Resonator bereitzustellen, wodurch die optische
Absorptionsfähigkeit darin erhöht wird.
2. Elektrophotonische Vorrichtung mit vertikalem Resonator
und Übertragung vertikal zur Oberfläche nach Anspruch 1,
wobei:
die Quantenquellstruktur (45) mehrere
Quantenquellschichten aufweist;
die erste optische Leiterstruktur (55) p- und i-
Schichten (43 bzw. 44) aufweist, und die zweite optische
Leiterstruktur (56) i- und n-Schichten (46 bzw. 47)
aufweist; und
die erste mehrschichtige Spiegelstruktur (42) mehrere
n-Schichten (49, 50) mit zwei Brechungsindizes, die
abwechselnd bereitgestellt sind, aufweist, und die zweite
mehrschichtige Spiegelstruktur (48) mehrere p-Schichten
(51, 52) mit den zwei Brechungsindizes, die abwechselnd
bereitgestellt sind, aufweist.
3. Elektrophotonische Vorrichtung mit vertikalem Resonator
und übertragung vertikal zur Oberfläche nach Anspruch 1
oder 2, wobei:
eine erste Elektrode (54) auf einer ersten Oberfläche
des oberen DBR-Spiegels (48) bereitgestellt ist; und
eine zweite Elektrode (53) auf einer zweiten
Oberfläche des Halbleitersubstrats (41) bereitgestellt ist,
und eine Öffnung für den Eintritt und Austritt von Licht
aufweist.
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US5525828A (en) * | 1991-10-31 | 1996-06-11 | International Business Machines Corporation | High speed silicon-based lateral junction photodetectors having recessed electrodes and thick oxide to reduce fringing fields |
JP2874442B2 (ja) * | 1992-04-10 | 1999-03-24 | 日本電気株式会社 | 面入出力光電融合素子 |
JPH0669585A (ja) * | 1992-08-12 | 1994-03-11 | Fujitsu Ltd | 面発光半導体レーザ及びその製造方法 |
JPH0793419B2 (ja) * | 1992-11-04 | 1995-10-09 | 日本電気株式会社 | 受光発光集積素子 |
US5362977A (en) * | 1992-12-28 | 1994-11-08 | At&T Bell Laboratories | Single mirror light-emitting diodes with enhanced intensity |
US5389797A (en) * | 1993-02-24 | 1995-02-14 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Department Of Energy | Photodetector with absorbing region having resonant periodic absorption between reflectors |
JP3207590B2 (ja) * | 1993-03-15 | 2001-09-10 | 富士通株式会社 | 光半導体装置 |
US5315128A (en) * | 1993-04-30 | 1994-05-24 | At&T Bell Laboratories | Photodetector with a resonant cavity |
US5498863A (en) * | 1993-04-30 | 1996-03-12 | At&T Corp. | Wavelength-sensitive detectors based on absorbers in standing waves |
KR0147589B1 (ko) * | 1994-05-31 | 1998-10-15 | 김광호 | 수직공진기 면발광 레이저 다이오드를 이용한 광픽엎 |
DE19629920B4 (de) * | 1995-08-10 | 2006-02-02 | LumiLeds Lighting, U.S., LLC, San Jose | Licht-emittierende Diode mit einem nicht-absorbierenden verteilten Braggreflektor |
US5701327A (en) * | 1996-04-30 | 1997-12-23 | Lucent Technologies Inc. | Saturable Bragg reflector structure and process for fabricating the same |
US5828088A (en) * | 1996-09-05 | 1998-10-27 | Astropower, Inc. | Semiconductor device structures incorporating "buried" mirrors and/or "buried" metal electrodes |
US7257143B2 (en) * | 1998-12-21 | 2007-08-14 | Finisar Corporation | Multicomponent barrier layers in quantum well active regions to enhance confinement and speed |
US20030219917A1 (en) * | 1998-12-21 | 2003-11-27 | Johnson Ralph H. | System and method using migration enhanced epitaxy for flattening active layers and the mechanical stabilization of quantum wells associated with vertical cavity surface emitting lasers |
US7167495B2 (en) * | 1998-12-21 | 2007-01-23 | Finisar Corporation | Use of GaAs extended barrier layers between active regions containing nitrogen and AlGaAs confining layers |
US7286585B2 (en) * | 1998-12-21 | 2007-10-23 | Finisar Corporation | Low temperature grown layers with migration enhanced epitaxy adjacent to an InGaAsN(Sb) based active region |
US6603784B1 (en) * | 1998-12-21 | 2003-08-05 | Honeywell International Inc. | Mechanical stabilization of lattice mismatched quantum wells |
US7435660B2 (en) * | 1998-12-21 | 2008-10-14 | Finisar Corporation | Migration enhanced epitaxy fabrication of active regions having quantum wells |
US6384462B1 (en) * | 2000-12-06 | 2002-05-07 | Nova Crystals, Inc. | Planar hetero-interface photodetector |
US6826219B2 (en) * | 2002-03-14 | 2004-11-30 | Gigatera Ag | Semiconductor saturable absorber device, and laser |
KR100576718B1 (ko) * | 2003-12-24 | 2006-05-03 | 한국전자통신연구원 | 실리콘 발광 소자 |
CA2581614A1 (en) | 2004-10-01 | 2006-04-13 | Finisar Corporation | Vertical cavity surface emitting laser having multiple top-side contacts |
US7860137B2 (en) | 2004-10-01 | 2010-12-28 | Finisar Corporation | Vertical cavity surface emitting laser with undoped top mirror |
US7545560B2 (en) * | 2004-10-08 | 2009-06-09 | Finisar Corporation | AlAs/GaAs alloy to enhance n-type doping in AlGaAs distributed bragg reflector |
TWI373851B (en) * | 2008-11-25 | 2012-10-01 | Nexpower Technology Corp | Stacked-layered thin film solar cell and manufacturing method thereof |
KR102496476B1 (ko) * | 2015-11-19 | 2023-02-06 | 삼성전자주식회사 | 전자기파 반사체 및 이를 포함하는 광학소자 |
KR102666433B1 (ko) | 2016-12-06 | 2024-05-14 | 삼성디스플레이 주식회사 | 유기발광 표시장치 |
DE102019113343A1 (de) * | 2019-05-20 | 2020-11-26 | Senorics Gmbh | Photodetektor mit verbessertem Detektionsergebnis |
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Family Cites Families (5)
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---|---|---|---|---|
JPH0738457B2 (ja) * | 1986-07-18 | 1995-04-26 | 株式会社東芝 | 光・電子双安定素子 |
US5028969A (en) * | 1988-09-13 | 1991-07-02 | Nec Corporation | Semiconductor device for a space modulation matrix and method for driving a space modulation matrix |
US4943970A (en) * | 1988-10-24 | 1990-07-24 | General Dynamics Corporation, Electronics Division | Surface emitting laser |
US4949350A (en) * | 1989-07-17 | 1990-08-14 | Bell Communications Research, Inc. | Surface emitting semiconductor laser |
US5012486A (en) * | 1990-04-06 | 1991-04-30 | At&T Bell Laboratories | Vertical cavity semiconductor laser with lattice-mismatched mirror stack |
-
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-
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