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DE69231662T2 - Oberflächenemittierender laser für rotes licht - Google Patents

Oberflächenemittierender laser für rotes licht

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DE69231662T2
DE69231662T2 DE69231662T DE69231662T DE69231662T2 DE 69231662 T2 DE69231662 T2 DE 69231662T2 DE 69231662 T DE69231662 T DE 69231662T DE 69231662 T DE69231662 T DE 69231662T DE 69231662 T2 DE69231662 T2 DE 69231662T2
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P. Schneider
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Cielo Communications Inc
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Description

  • Die vorliegende Sache bezieht sich auf einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator, der Strahlung im sichtbaren Spektrum (das heißt im Bereich zwischen 400 und 700 nm) emittiert.
  • Herkömmliche randemittierende Laserdioden sind bekannt. Bei diesen Dioden wird Laserstrahlung in einer Ebene abgestrahlt, die eine Fortsetzung der Ebene des pn-Übergangs der Diode darstellt. Es werden unterschiedliche Typen solcher Dioden in großem Umfang dazu eingesetzt, Laserstrahlung im infraroten und sichtbaren Bereich zu liefern. Während diese Dioden sich eines beträchtlichen kommerziellen Erfolges erfreuen, sind sie jedoch relativ groß und demzufolge schwierig in andere Bauelemente zu integrieren.
  • In jüngerer Zeit wurde eine neue Klasse von Halbleiterlasern entwickelt, bekannt als oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator. Anders als bei dem Randemissionslaser emittiert dieser Laser mit vertikalem Hohlraum Laserstrahlung in der Richtung rechtwinklig zur Ebene des in der Laserdiode gebildeten pn-Übergangs. Beträchtliche Information über Aufbau und Herstellung solcher Laserdioden findet sich zum Beispiel in dem US-Patent 4 949 350; in J. Jewell et al. "Microlasers", Scientific American Vol. 265, Nr. 5, Seiten 86-94 (November 1991); in J. Jewell et al. "Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers; Design, Growth, Fabrication, Characterization", "IEEE Journal of Quantum Electronics. Vol. 27. Nr. 6. Seiten 1332-1346 (Juni 1991): in G. R. Olbright et al., "Cascadable Laser Logic Devices: Discrete Integration of Phototransistors with Surface-Emitting Laser Diodes", Electronics Letters, Vol. 27, Ni. 3, Seiten 216-217 (31. Januar 1991); und in J. Jewell et al. "Vertical Cavity Lasers for Optical Interconnects", SPIE Vol. 1389 International Conference on Advances in Interconnection and Packaging, Seiten 401-407 (1990), sämtlich hier durch Bezugnahme inkorporiert.
  • Wie in einigen der oben angegebenen Veröffentlichungen angegeben ist, besitzen Laser mit vertikalem Resonator zahlreiche Vorteile gegenüber randemittierenden Lasern, von denen einige der wichtigsten darin zu sehen sind, daß sie sich in extrem kleinen Baugrößen fertigen lassen (zum Beispiel in der Größenordnung von einem Mikrometer Durchmesser), und sie sich leicht mit anderen Bauelementen, zum Beispiel Transistoren, integrieren lassen.
  • Bislang allerdings waren Anwendungen für Laser mit vertikalem Resonator durch das Fehlen jeglichen Lasers mit vertikalem Resonator, der sichtbare Laserstrahlung emittiert, beschränkt.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schafft einen Laser mit vertikalem Resonator, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, und der Laserstrahlung im sichtbaren Bereich emittiert. Bei diesen Bauelementen läßt sich Laserstrahlung durch optisches Pumpen oder durch elektrische Injektion stimulieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält ein oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator einen Laserhohlraum, der sandwichartig zwischen zwei verteilten Bragg-Reflektoren eingefaßt ist. Der Laserhohlraum enthält ein Paar Distanzschichten, welche eine oder mehrere aktive, optisch emittierende Quantenlochschichten einschließt, die eine Bandlücke im roten Bereich des sichtbaren Spektrums aufweisen, welche als das aktive, optisch emittierende Material des Bauelements dienen. Die Dicke des Laserresonators beträgt mλ/2 neff, wobei m eine ganze Zahl, A die Wellenlänge der Laserstrahlung und neff der effektive Brechungsindex des Resonators ist. Elektrisches Pumpen des Lasers wird dadurch erreicht, daß man den unteren Spiegel und das Substrat für einen Leitungstyp stark dotiert und die Zonen des oberen Spiegels für entgegengesetzten Leitungstyp stark dotiert, um eine Diodenstruktur zu bilden, und man an diese Diodenstruktur eine geeignete Spannung anlegt.
  • Spezielle Ausführungsformen der Erfindung zum Erzeugen roter Strahlung werden im folgenden beschrieben.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Diese sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. Es zeigen:
  • Fig. 1 einen Querschnitt eines Teils einer bevorzugten Ausführungsform eines oberflächenemittierenden Lasers gemäß der Erfindung;
  • Fig. 2-7 Querschnitte unterschiedlicher Abschnitte des oberflächenemittierenden Lasers nach Fig. 1; und
  • Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Abschnitt des oberflächenemittierenden Lasers nach Fig. 1.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält der erfindungsgemäße, oberflächenemittierende Laser einen ersten Spiegel 10, eine erste Distanzschicht 20, eine Quantenlochschicht 30, eine zweite Distanzschicht 40 und eine zweite Spiegelschicht 50. Nach zum Stand der Technik gehörigen Methoden, und wie es zum Beispiel in der oben angegebenen US-Patentschrift 4 949 350 beschrieben ist, sind die Schichten 10, 20, 30 und 40 und ein Teil der Schicht 50 epitaktisch auf einem Substrat 60 gebildete Schichten. Der restliche Teil der Schicht 50 wird durch dielektrisches Niederschlagen gebildet. Im Ergebnis haben die Schichten 10, 20, 30, 40 und 50 den gleichen Durchmesser wie das Substrat 60. Nach der epitaktischen Ausbildung der Schichten werden die Quantenlochschicht 30, die Distanzschicht 40 und die Spiegelschicht 50 durch optische Lithographie und Ätzen definiert, um mehrere Säulen 70 zu bilden. Bei 56 und 66 sind elektrische Kontakte an der zweiten Spiegelschicht 50 und dem Substrat 60 vorgesehen.
  • Wie in der Draufsicht der Fig. 8 gezeigt ist, ist der elektrische Kontakt 56 vorzugsweise ein Bondflecken, der über einem Teil der Säule 70 liegt. In diesem Fall besitzt jede Säule 70 einen ersten Abschnitt 71 (ebenfalls in Fig. 1 gezeigt), der auf einer Seite etwa 20 um beträgt, und einen zweiten Abschnitt 72 unterhalb des Bondfleckens, der auf der Seite etwa 100 um beträgt. Um ein Beispiel zu geben, besitzt das Substrat 60 einen Durchmesser von 3 oder 4 Zoll (7,5 oder 10 cm) während des epitaktischen Verarbeitens und wird zur Verwendung in mehrere Einheiten gespalten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die zum Erzeugen roten Lichts verwendet wird, ist das Substrat 60 n&spplus;-dotiertes GaAs, und · jede der Schichten 10, 20, 30, 40 und 50 enthält mehrere Lagen, deren Zusammensetzung in den Fig. 2-7 dargestellt ist und weiter unten näher beschrieben wird.
  • Wie in Fig. 2 zu sehen, enthält die Spiegelschicht 10 abwechselnde Schichten 11, 12 aus n&spplus;-dotiertem AlAs und AlGaAs. Jede Schicht hat eine Dicke von einer viertel Wellenlänge, wobei die Wellenlänge die Wellenlänge in der Schicht der Strahlung ist, die von dem Laser emittiert wird. Wie der Fachmann sieht, entspricht der Aufbau der Spiegelschicht 10 demjenigen eines verteilten Bragg-Reflektors, wobei AlAs die Schicht mit dem niedrigeren Brechungsindex und AlGaAs die Schicht mit dem höheren Brechungsindex ist. Wie ebenfalls bekannt ist, beträgt der Brechungsindex von AlAs etwa 3,0, abhängig von der Wellenlänge, während der Brechungsindex von AlGaAs von etwa 3,0 bis 3,6 reicht, abhängig von der Wellenlänge und den relativen Konzentrationen von Al und Ga.
  • Wie in Fig. 3 gezeigt ist, enthält der Laserresonator die Distanzschicht 20, die Quantenlochschicht 30 und die Distanzschicht 40. Die Länge des Laserresonators (bei der es sich um die Dicke der Schichten 20, 30 und 40 handelt) beträgt mλ/2neff, wobei λ die Wellenlänge der emittierten Laserstrahlung im freien Raum, m eine ganze Zahl und neffder effektive Brechungsindex des Resonators ist. In vorteilhafter Weise wird eine aktive Quantenquelle 34 definiert durch eine Ringzone 33 implantierter Protonen, welche die aktive Quantenquelle umgibt und dadurch den elektrischen Stromfluß zu der aktiven Quantenquelle oder dem aktiven Quantenloch eingrenzt. Einzelheiten des Einsatzes von Ionenimplantation für eine solche Stromeinschnürung sind angegeben in Y. H. Lee et al., "Top-Surface-Emitting GaAs Four-Quantum-Well Lasers Emitting at 0.85 um", Electron Lett., Vol. 26, Seiten 1308-1310 (1990) und H.-J. Yoo et al., "Low Series Resistance Vertical-Cavity Front-Surface-Emitting Laser Diode", Appl. Phys. Lett., Vol. 56, Nr. 20, Seiten 1942-1945 (14. Mai 1990), hier durch Bezugnahme inkorporiert.
  • Wie in Fig. 4 gezeigt ist, enthält die Distanzschicht 20 mehrere Lagen aus AIGaInP mit progressiv zunehmenden Anteilen von Ga in Richtung der Quantenlochschicht. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, sind diese Schichten bezüglich GaAs gitterangepaßt. Wie ebenfalls bekannt, nimmt der Brechungsindex dieser Schichten mit zunehmenden Anteilen von Ga zu, die Bandlücke verringert sich. Wie in Fig. 6 zu sehen ist, ist die Distanzschicht 40 im Aufbau ähnlich mit progressiv abnehmenden Anteilen von Ga in Richtung der Spiegelschicht 50.
  • Wie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält die Quantenlochschicht 30 drei etwa 5,0 nm dicke Schichten 31 aus GaInP, getrennt durch zwei etwa 9,0 nm dicke Barrierenschichten 32 aus AlGaInP. Eine Peripheriezone 33 aus Protonen wird durch Implantation in diesen Schichten gebildet. Diese Zone begrenzt das aktive Quantenloch gegenüber jenen Bereichen 34 der Schichten 31, in denen keine Protonen implantiert sind. Die Peripheriezone 33 schränkt auch den Stromfluß durch die Laserdiode ein auf Abschnitte der Schichten 31 und 32, in denen keine Protonen implantiert sind, wodurch die Stromdichte durch die Quantenquelle gesteigert wird.
  • Wie in Fig. 7 zu sehen ist, enthält die zweite Spiegelschicht 50 eine Mehrzahl abwechselnder Schichten 51, 52 aus p&spplus;-dotiertem AlAs und AlGaAs, eine periphere elektrische Kontaktschicht 53 aus Au und mehrere abwechselnde Schichten 54, 55 aus TiO&sub2; und SiO&sub2;. Wiederum sind sämtliche Schichten 51 und 52 sowie 54 und 55 eine viertel Wellenlänge dick, und diese Schichten bilden einen verteilten Bragg-Reflektor. Allerdings ist dieser Reflektor teilweise durchlässig, um die Emission von Laserstrahlung aus der obersten Schicht zu ermöglichen. In vorteilhafter Weise ist das Mittelloch in der Kontaktschicht 53 derart bemessen, daß es die Ausbreitungs-Moden der emittierten Laserstrahlung beschränkt auf den Schwingungstyp TEMOO.
  • Vorzugsweise wird gemäß der Draufsicht der Fig. 8 elektrischer Kontakt mit der Kontaktschicht 53 in herkömmlicher Weise durch einen Bondflecken 56 hergestellt, der gleichzeitig ausgebildet wird wie die Schicht 53 auf einem Abschnitt 72 der epitaktischen Schichten in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Abschnitt 71 dieser Schichten, dargestellt als Ln in den Fig. 2-7.
  • Falls erwünscht, könnte der Aufbau der zweiten Spiegelschicht 50 der gleiche sein wie der der Schicht 10. Allerdings besitzen die Schichten aus AlAs und AlGaAs einen relativ hohen Widerstand, der zu einer unerwünschten Erwärmung der zweiten Spiegelschicht führt. Dementsprechend haben wir herausgefunden, daß es von Vorteil ist, den Widerstand der zweiten Spiegelschicht dadurch zu senken, daß nur wenige Schichten 51, 52 des Spiegels innerhalb der Diodenzone zwischen der elektrischen Kontaktschicht 53 und dem Substrat 60 eingeschlossen werden. Die übrigen Schichten des zweiten Spiegels werden durch dielektrisches Niederschlagemabwechselnder SiO&sub2; und TiO&sub2;-Schichten oben auf die Kontaktschicht 53 gebildet.
  • Es werden individuelle Laser gebildet durch Definieren der Bauelemente auf photolithographischem Wege und deren Ätzen unter Verwendung bekannter gasförmiger oder chemischer Ätzmittel.
  • Durch geeignete Materialwahl und Schicht-Abmessungen läßt sich der Laser nach den Fig. 1-8 zum Erzeugen von Laserstrahlung in unterschiedlichen Bereichen der sichtbaren Zone des Spektrums einsetzen. Die spezielle Ausführungsform, die in Verbindung mit den Fig. 1-8 erläutert wurde, läßt sich einsetzen, um Strahlung im roten Bereich zu erzeugen.
  • Dem Fachmann sind abweichend von der obigen Beschreibung zahlreiche Varianten der Erfindung ersichtlich.

Claims (8)

1. Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL), der Strahlung mit einer Wellenlänge A emittiert, die in den roten Bereich des sichtbaren Spektrums zwischen 400 nm und 700 nm fällt, umfassend:
ein Substrat (60), welches GaAs aufweist;
einen ersten Spiegel (10) mit einer Mehrzahl abwechselnder AlAs- und AlGaAs-Schichten (11, 12) auf dem Substrat (60), von denen jede Schicht (11, 12) eine Dicke λ/4n aufweist, wobei n der Brechungsindex der Schicht ist;
ein erstes Distanzelement (20), das auf dem ersten Spiegel (10) gebildet ist;
eine aktive Schicht (30), die auf dem ersten Distanzelement (20) gebildet ist und eine oder mehrere Quantenlochschichten (31) aus InGaP aufweist;
ein zweites Distanzelement (40), das auf der aktiven Schicht (30) gebildet ist;
einen zweiten Spiegel (50), im wesentlichen ähnlich dem ersten Spiegel oder mit zusätzlich einer Mehrzahl abwechselnder TiO&sub2;- und SiO&sub2;-Schichten auf dem zweiten Distanzelement (40), wovon jede Schicht (51, 52) eine Dicke von λ/4n hat;
wobei der erste (10) und zweite (50) Spiegel (50) zwischen sich einen Laserresonator mit einer Länge von mλ/2neff definieren, wobei m eine ganze Zahl und neffder effektive Brechnungsindex des Laserresonators ist;
wobei das erste (20) und das zweite (40) Distanzelement jeweils AlGalnP aufweisen: und
wobei die zweiten Distanzelemente (40) und zweiten Spiegel (50) aus Werkstoffen bestehen, die für Strahlung mit einer Wellenlänge λ/n durchlässig sind.
2. VCSEL nach Anspruch 1, bei dem die aktive Schicht (30) drei der Quantenlochschichten (31) aufweist, die durch zwei Barrierenschichten (32) aus AlGaInP getrennt sind.
3. VCSEL nach Anspruch 2, bei dem die Quantenlochschichten (31) eine Dicke von etwa 50 · 10&supmin;¹&sup0; Meter (50 Angström) und die Barrierenschichten (32) eine Dicke von etwa 90 · 1040 Meter (90 Angström) aufweisen.
4. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der zweite Spiegel (50) einen ersten Abschnitt an Schichten (51, 52) aufweist, die auf dem zweiten Distanzelement (40) gebildet sind und abwechselnde Schichten aus AlAs und AlGaAs sind, und einen zweiten Abschnitt an Schichten (54, 55) oben auf einer Kontaktschicht (53) aufweist, wobei die Kontaktschicht (53) oben auf dem ersten Abschnitt (51, 52) gebildet ist und der zweite Abschnitt (54, 55) abwechselnde Schichten aus SiO&sub2; und TiO&sub2; aufweist.
5. VCSEL nach einem der Anspruche 1 bis 4, bei dem die mehreren Schichten des ersten (20) und des zweiten (40) Distanzelements bezüglich des GaAs gitterangepaßt sind.
6. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mindestens der erste Spiegel und der zweite Spiegel mit Dotierstoff entgegengesetzten Leitungstyps dotiert sind, um eine Diodenstruktur zu bilden, und der Laser außerdem eine erste (66) und eine zweite (56) Elektrode zum Anlegen einer Vorspannung an die Diodenstruktur aufweist.
7. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der VCSEL optisch durch Strahlung mit einer Wellenlänge gepumpt wird, die kürzer ist als die von dem Laser abgegebene Strahlung.
8. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das erste und das zweite Distanzelement jeweils eine Mehrzahl von AlGaInP-Schichten aufweisen, die jeweils progressiv ansteigende Anteile von Ga in Richtung der aktiven Schicht (30) besitzen.
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