DE102004032467A1

DE102004032467A1 - Oberflächenemittierende Einmodenvertikalresonatorlaser und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE102004032467A1
Application number: DE102004032467A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Ulrich San Jose Koelle; Scott W. Sunnyvale Corzine; Laura Santa Clara Giovane; An-Nien San Jose Cheng
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: US7218660B2; JP4869580B2; US20050089074A1; DE102004032467B4; JP2005129960A; CN1612433A; CN100524985C

Abstract

In einem Aspekt ist ein oberflächenemittierender Vertikalresonatorlaser (VCSEL = vertical cavity surface emitting laser) betreibbar, um Einmodenlaserlicht bei einer Betriebswellenlänge zu erzeugen. Der VCSEL umfasst eine lichtemittierende Oberfläche und eine monolithische longitudinale Stapelstruktur. Die longitudinale Stapelstruktur umfasst einen ersten Spiegel, einen zweiten Spiegel und eine Resonatorregion. Die Resonatorregion ist zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel angeordnet und umfasst eine aktive Lichterzeugungsregion und eine Resonatorerweiterungsregion. Die longitudinale Stapelstruktur umfasst ferner eine ionenimplantierte Stromeingrenzungsregion. Ein VCSEL-Array, das den oben beschriebenen VCSEL aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen VCSEL sind ebenfalls beschrieben.

Description

Ein VCSEL ist eine Laservorrichtung, die aus einer optisch aktiven Halbleiterregion gebildet ist, die zwischen einem Paar von hochreflektierenden Spiegelstapeln angeordnet ist, die aus Schichten eines metallischen Materials, eines dielektrischen Materials oder eines epitaxial aufgewachsenen Halbleitermaterials gebildet sein können. Typischerweise ist einer der Spiegelstapel weniger reflektierend als der andere hergestellt, so dass ein Abschnitt des kohärenten Lichts, das sich in einem Resonanzhohlraum aufbaut, der zwischen den Spiegelstapeln gebildet ist, vorzugsweise von einer Seite der Vorrichtung emittiert werden kann. Typischerweise emittiert ein VCSEL Laserlicht von der oberen oder unteren Oberfläche des Resonanzhohlraums mit einer relativ kleinen Strahldivergenz. VCSELs können in Singuletten, eindimensionalen oder zweidimensionalen Arrays angeordnet sein, auf einem Wafer getestet werden und ohne weiteres in ein optisches Sende/Empfangsgerät-Modul eingegliedert werden, das mit einem Faseroptikkabel gekoppelt sein kann.

Im Allgemeinen kann ein VCSEL als ein verstärkungsgeführter VCSEL oder ein indexgeführter VCSEL gekennzeichnet sein. Ein Implantations-VCSEL ist der häufigste im Handel erhältliche verstärkungsgeführte VCSEL. Ein Implantations-VCSEL umfasst eine oder mehrere Implantationsregionen mit hohem Widerstand zu einer Stromeingrenzung und einer Parasitärreduzierung. Ein Oxid-VCSEL ist jedoch der häufigste lateral indexgeführte VCSEL. Ein Oxid-VCSEL umfasst Oxidschichten (und möglicherweise Implantationsregionen) zu sowohl einer Strom- als auch einer optischen Eingrenzung.

VCSELs und VCSEL-Arrays wurden erfolgreich für einen Einmodenbetrieb und einen Mehrmodenbetrieb bei einer Vielfalt von unterschiedlichen Wellenlängen entwickelt (z. B. 650 nm, 850 nm, 980 nm, 1300 nm und 1550 nm).

Im Allgemeinen ist es erwünscht, dass Einmoden-VCSELs innerhalb eines Bereichs von spezifizierten Betriebsbedingungen ein Einmodenverhalten zeigen, während dieselben anderen Verhaltensspezifikationen genügen. Im Allgemeinen ist es erwünscht, die optische Einmodenleistung zu erhöhen, die durch einen VCSEL erzeugt wird. Zusätzlich ist es erwünscht, den Reihenwiderstandwert eines VCSEL und die Divergenz des optischen Ausgangsstrahls, der durch den VCSEL erzeugt wird, zu reduzieren. Es ist ferner erwünscht, die Anfälligkeit eines VCSEL für eine Beschädigung durch eine elektrostatische Entladung (ESD = electrostatic discharge) zu reduzieren. Bei einigen bekannten Ansätzen waren sowohl ein hoher Reihenwiderstand als auch niedrige ESD-Schwellen mit kleinen Stromaperturen verbunden.

Ein hoher Injektionsstrom wird benötigt, um eine hohe Ausgangsleistung von einem VCSEL zu erzeugen. Ein höherer Injektionsstrom bewirkt jedoch, dass der Ausgangsstrahl durch eine gut bekannte Strahllenkwirkung divergiert, die aus der Wechselwirkung zwischen den lateralen Moden des VCSEL und strombewirkten Veränderungen bei dem Brechungsindex in der Wellenleitstruktur des VCSEL resultiert. Bei einem niedrigen Injektionsstrom ist ein VCSEL typischerweise in der lateralen Grundmode (d. h. niedrigster Ordnung) wirksam und der Brechungsindex in der Wellenleitstruktur bleibt im Wesentlichen konstant. Bei einem höheren Injektionsstrom jedoch wird die Modenstruktur auf Grund eines ohmischen Erwärmens und von Raumlochbrennwirkungen instabil. Diese Veränderungen ermöglichen, dass sich laterale Moden höherer Ordnung mit größeren Divergenzwinkeln ausbreiten, was in einer weniger effizienten Kopplung zwischen dem VCSEL und der zugeordneten optischen Faser resultiert, die verwendet wird, um Licht von dem VCSEL zu übertragen. Bei Implantati ons-VCSELs wird das Mischen zwischen unterschiedlichen Lasermoden oft als ein Knick in einem Graph einer optischen Leistung erfasst, die als eine Funktion des Injektionsstroms (oft die „L-I"-Kurve genannt) für den VCSEL aufgetragen ist.

Die Größe der Stromapertur eines VCSEL wurde erhöht, um die optische Ausgangsleistung der Vorrichtung zu erhöhen. Eine größere Stromapertur reduziert ebenfalls den Reihenwiderstand des VCSEL. Größere Stromaperturen erhöhen jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass sich Lasermoden höherer Ordnung ausbreiten und mit der Grundmode mischen werden. Erweiterte Resonatorstrukturen und optische Anti-Führungs-Strukturen wurden in die Wellenleiterresonatoren von VCSELs eingebracht, um Lasermoden höherer Ordnung zu unterdrücken. Häufig erhöht die Einbringung derartiger Strukturen die Komplexität und reduziert die Zuverlässigkeit des VCSEL-Herstellungsprozesses.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlaser, ein Array von zwei oder mehr oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlasern und ein Verfahren zum Herstellen eines oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlasers mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlaser gemäß Anspruch 1, ein Array gemäß Anspruch 14 und ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst.

Die Erfindung zeichnet sich durch oberflächenemittierende Einmodenvertikalresonatorlaser und Verfahren zum Herstellen derselben aus.

Bei einem Aspekt der Erfindung ist ein oberflächenemittierender Vertikalresonatorlaser (VCSEL = vertical cavity surface emitting laser) betreibbar, um Einmodenlaserlicht bei einer Betriebswellenlänge zu erzeugen. Der VCSEL umfasst eine lichtemittierende Oberfläche und eine monolithische longitudinale Stapelstruktur. Die longitudinale Stapelstruktur umfasst einen ersten Spiegel, einen zweiten Spiegel und eine Resonatorregion. Der erste Spiegel weist ein optisches Reflexionsvermögen R₁ für Licht bei der Betriebswellenlänge auf. Der zweite Spiegel weist ein optisches Reflexionsvermögen R₂ für Licht bei der Betriebswellenlänge auf, wobei R₁ und R₂ unterschiedliche jeweilige Werte aufweisen, von denen einer größer als 99,9 ist und von denen der andere kleiner als 99,7% ist. Die Resonatorregion ist zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel angeordnet und umfasst eine aktive Lichterzeugungsregion und eine Resonatorerweiterungsregion. Die longitudinale Stapelstruktur umfasst ferner eine ionenimplantierte Stromeingrenzungsregion, die durch eine Spitzen-Longitudinal-Implantation-Konzentration gekennzeichnet ist, die von der Resonatorregion durch einen longitudinalen Abstand getrennt ist, der größer als 0,5 Mikrometer ist.

Die Erfindung zeichnet sich ferner durch ein VCSEL-Array, das den oben beschriebenen VCSEL aufweist, und ein Verfahren zum Herstellen des oben beschriebenen VCSEL aus.

Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, einschließlich der Zeichnungen und der Ansprüche ersichtlich.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenquerschnittansicht eines verstärkungsgeführten VCSEL, der eine ionenimplantierte Region, die eine Stromapertur definiert, und eine Resonatorregion umfasst, die zwischen einem ersten und einem zweiten Spiegel angeordnet ist;
2 einen Graphen einer Implantationskonzentration, die als eine Funktion eines Abstands von der Resonatorregion aufgetragen ist, für eine exemplarische Implementierung des VCSEL von 1;
3 eine schematische Seitenquerschnittansicht eines alternativen verstärkungsgeführten VCSEL, der eine Resonatorerweiterungsregion mit einem ersten Abschnitt benachbart zu einem ersten Spiegel und einem zweiten Abschnitt benachbart zu einem zweiten Spiegel umfasst;
4 einen Graphen einer optischen Lichtleistung (LOP = light optical power) und einer Spannung (V = voltage), die als eine Funktion eines Vorwärtsinjektionsstroms (Strom) aufgetragen sind, für unterschiedliche Implementierungen des VCSEL von 1; und
5 einen Graphen eines Seitenmode-Unterdrückungsverhältnisses, das als eine Funktion eines Vorspannungsstroms aufgetragen ist, für eine Implementierung des VCSEL von 1.
In der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu identifizieren. Ferner sollen die Zeichnungen größere Merkmale von exemplarischen Ausführungsbeispielen auf eine schematische Weise darstellen. Die Zeichnungen sollen weder jedes Merkmal von tatsächlichen Ausführungsbeispielen noch relative Abmessungen der gezeigten Elemente zeigen und sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
I. ÜBERSICHT EINER VCSEL-STRUKTUR
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines planaren verstärkungsgeführten VCSEL 10, der betreibbar ist, um Einmo denlaserlicht bei einer Betriebswellenlänge zu erzeugen (z. B. einer Wellenlänge von 650 nm, 850 nm, 980 nm, 1300 nm und 1550 nm). Wie dasselbe hierin verwendet wird, bezieht sich „Einmodenlaserlicht" auf Ausgangslicht des VCSEL 10, das durch ein Wellenlängenspektrum mit einer einzigen dominanten Intensitätsspitze mit einem Einmode-Unterdrückungsverhältnis (SMSR = side mode suppression ratio) größer 30 Dezibel (dB) gekennzeichnet ist. Die Wellenlänge der einzigen dominanten Intensitätsspitze wird hierin als die „Betriebswellenlänge" bezeichnet.
Der VCSEL 10 weist eine monolithische Stapelstruktur auf, die sich in eine longitudinale (Z) Richtung erstreckt und eine Resonatorregion 12 umfasst, die zwischen einem ersten Spiegel 14 und einem zweiten Spiegel 16 angeordnet ist. Die monolithische Stapelstruktur ist auf einem Substrat 18 gebildet. Eine optionale Pufferschicht 17 kann zwischen dem Substrat 18 und der monolithischen Stapelstruktur aufgewachsen sein. Der erste und der zweite Spiegel 14, 16 sind aus Materialschichten gebildet, die durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit gekennzeichnet sind. Die Resonatorregion 12 umfasst eine aktive Lichterzeugungsregion 19 und eine Resonatorerweiterungsregion 26. Die aktive Region 19 umfasst eine oder mehrere aktive Schichten 20, die z. B. eine oder mehrere Quantenmulden oder einen oder mehrere Quantenpunkte umfassen kann, die zwischen einem Paar von Barriereschichten 22, 24 angeordnet sind. Eine ringförmige ionenimplantierte Stromeingrenzungsregion 28 ist zwischen einer lichtemittierenden Oberfläche 30 des VCSEL 10 und der Resonatorregion 12 angeordnet. Die Stromeingrenzungsregion 28 entspricht einer ringförmigen Region eines Materials, das durch Ionen (d. h. Protonen) beschädigt wurde, die in den Schichten des ersten Spiegels 14 implantiert wurden. Die Beschädigung, die durch die implantierten Ionen bewirkt wird, wandelt das implantierte Spiegelmaterial in ein Material mit einem hohen elektrischen Widerstand um. Die Stromeingrenzungsregion 28 umgibt eine Stromapertur 32, die aus einem nicht implantierten (und folglich im Wesentlichen un beschädigten) Spiegelmaterial gebildet ist, das die ursprüngliche hohe elektrische Leitfähigkeit desselben im Wesentlichen behält. Bei einigen Implementierungen beträgt der Durchmesser der Stromapertur 32 in etwa 15 Mal die Betriebswellenlänge in einem freien Raum.
Ein erster ringförmiger elektrischer Kontakt 34 ist auf der lichtemittierenden Oberfläche 30 gebildet. Ein zweiter elektrischer Kontakt 36 ist an dem gegenüberliegenden Ende des VCSEL 10 positioniert. Der erste und der zweite elektrische Kontakt 34, 36 ermöglichen, dass der VCSEL 10 durch eine geeignete Treiberschaltung getrieben wird. In Betrieb ist eine Betriebsspannung über die elektrischen Kontakte 34, 36 angelegt, um einen Stromfluss in dem VCSEL 10 zu erzeugen. Im Allgemeinen fließt ein Strom durch eine zentrale Region der VCSEL-Struktur und ein Lasern tritt in einem zentralen Abschnitt der Resonatorregion 12 auf. Die Apertur 32, die durch die ionenimplantierte Region 28 in dem ersten Spiegelstapel 14 umgeben ist, grenzt elektrische Träger lateral zu der Zentralregion der VCSEL-Struktur ein. Eine Trägereingrenzung resultiert aus dem relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand der Eingrenzungsregion 28, was bewirkt, dass ein elektrischer Strom vorzugsweise durch die zentral positionierte Apertur 32 fließt. Die laterale Elektrische-Träger-Eingrenzung erhöht die Dichte von elektrischen Trägern innerhalb der aktiven Region und erhöht folglich die Effizienz, mit der Licht innerhalb der aktiven Region erzeugt wird. Der elektrische Kontakt 34 wirkt, so glaubt man, als ein optischer Verlustführungsmechanismus, so dass die Apertur in dem elektrischen Kontakt 34 den Divergenzwinkel des Laserlichts einstellt, das von dem VCSEL 10 emittiert wird. Bei einigen Implementierungen ist der Durchmesser der Apertur in dem elektrischen Kontakt 34 kleiner als der Durchmesser der ionenimplantierten Stromapertur 32.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst jeder des ersten und des zweiten Spiegels 14, 16 ein System von ab wechselnden Schichten von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex, das einen verteilten Bragg-Reflektor (DBR = distributed Bragg reflector) bildet, der für eine spezifizierte Laserbetriebswellenlänge entworfen ist (z. B. eine Wellenlänge in dem Bereich von 650 nm bis 1650 nm). Zum Beispiel können der erste und der zweite Spiegelstapel 14, 16 aus abwechselnden Schichten von AlGaAs mit hohem Aluminiumgehalt und AlGaAs mit niedrigem Aluminiumgehalt gebildet sein. Die Schichten des ersten und des zweiten Spiegelstapels 14, 16 weisen vorzugsweise eine optische Wirkdicke (d. h. die Schichtdicke multipliziert mit dem Brechungsindex der Schicht) auf, die in etwa ein Viertel der Laserbetriebswellenlänge ist. Das Substrat 18 kann aus GaAs, InP, Saphir (Al₂O₃) oder InGaAs gebildet sein und kann undotiert, n-Typ- (z. B. mit Si) dotiert oder p-Typ- (z. B. mit Zn) dotiert sein. Der Spiegel, der am nächsten an der lichtemittierenden Oberfläche 30 positioniert ist, ist weniger reflektierend als der andere Spiegel hergestellt, so dass ein Abschnitt des kohärenten Lichts, das sich in der Resonatorregion 12 aufbaut, vorzugsweise durch die lichtemittierende Oberfläche 30 emittiert wird.
Bei den hierin dargestellten Ausführungsbeispielen sind der erste und der zweite Spiegel 14, 16 entworfen, so dass Laserlicht von der oberen Oberfläche des VCSEL 10 emittiert wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Spiegelstapel 14, 16 entworfen sein, so dass Laserlicht von der unteren Oberfläche des Substrats 18 emittiert wird.
Eine erste und eine zweite Barriereschicht 22, 24 können aus Materialien gebildet sein, die basierend auf der Materialzusammensetzung der aktiven Schichten gewählt sind. Bei einigen Implementierungen können die aktiven Schichten 20 und die Barriereschichten 22, 24 aus unterschiedlichen jeweiligen Zusammensetzungen von AlInGaAs (d. h. AlInGaAs, GaAs, AlGaAs und InGaAs), InGaAsP (d. h., InGaAsP, GaAs, GaAsP und GaP), GaAsSb (d. h., GaAsSb, GaAs und GaSb), InGaAsN (d. h., InGaAsN, GaAs, InGaAs, GaAsN und GaN) oder AlInGaAsP (d. h., AlInGaAsP, AlInGaAs, AlGaAs, InGaAs, InGaAsP, GaAs, InGaAs, GaAsP und GaP) gebildet sein. Andere Quantenmuldenschichtzusammensetzungen können ebenfalls verwendet werden. Die Resonatorerweiterungsregion 26 ist aus einem Material gebildet, das im Wesentlichen transparent für Licht bei der Betriebswellenlänge ist und das mit den anderen Schichten des VCSEL 10 monolithisch gebildet sein kann. Bei einigen Implementierungen ist die Resonatorerweiterungsregion 26 aus dem gleichen Material gebildet, das verwendet wird, um eine der konstituierenden Schichten des ersten und des zweiten Spiegels 14, 16 zu bilden.
Bei einigen Implementierungen weist die aktive Region 19 eine optische Dicke auf, die im Wesentlichen gleich der Betriebswellenlänge des VCSEL 10 ist. Bei diesen Implementierungen weist die Resonatorerweiterungsregion 26 eine optische Dicke in die longitudinale Richtung (Z) auf, die im Wesentlichen gleich einem ganzzahligen Mehrfachen der Hälfte der Betriebswellenlänge des VCSEL 10 ist.
Der VCSEL 10 kann durch herkömmliche Epitaxialaufwachsprozesse gebildet sein, wie beispielsweise eine metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD = metal-organic chemical vapor deposition) und eine Molekularstrahlepitaxie (MBE = molecular beam epitaxy).
Wie es unten detailliert erläutert ist, sind verschiedene Merkmale des VCSEL 10 ausgewählt, so dass Implementierungen des VCSEL 10 gekennzeichnet sind durch eine relativ hohe optische Einmodenausgangsleistung, einen relativ niedrigen Reihenwiderstand und relativ glatte (nicht geknickte) L-I-Kurven. Insbesondere sind die Trennung zwischen der ionenimplantierten Region 28 und der Resonatorregion 12, das Reflexionsvermögen des Lichtemissionsspiegels (z. B. des ersten Spiegels 14 bei dem Ausführungsbeispiel von 1) und die optische Dicke der Resonatorerweiterungsregion 26 ausgewählt, um zusammenwirkend ein verbessertes VCSEL-Verhalten bei einer Vorrichtung zu erhalten, die durch eine reduzierte Herstellungskomplexität und eine erhöhte Herstellungszuverlässigkeit gekennzeichnet ist.
Implantationstiefe
Es wurde beobachtet, dass ein Reduzieren der Tiefe der implantierten Region (d. h. ein Erhöhen der Trennung zwischen der ionenimplantierten Region 28 und der Resonatorregion 12) den Vorwärtsleckstrom (d. h. den Abschnitt des Vorwärtsinjektionsstroms, der nicht verwendet wird, um Licht zu erzeugen) erhöht und daher den Laserschwellenstrompegel erhöht. Es wurde beobachtet, dass die resultierenden L-I-Kurven für derartige VCSELs jedoch weniger geknickt sind. Diese Wirkung resultiert, so glaubt man, aus einer besseren Steuerung des Vorwärtsinjektionsstroms bei höheren Strompegeln. Ein Reduzieren der Tiefe der implantierten Region verbessert ferner eine Stromeinheitlichkeit über den Resonator 12, reduziert eine Stromüberfüllung, reduziert Thermische-Linsenbildung-Wirkungen und reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Implantationsbeschädigung, die sich zu der aktiven Schicht 20 erstreckt und ein Vorrichtungsverhalten nachteilig beeinflusst.
Mit Bezug auf 1 und 2 ist ein verbessertes VCSEL-Verhalten durch ein Positionieren der ionenimplantierten Region zwischen der lichtemittierenden Oberfläche 30 und der Resonatorregion 12 bei einer Position erreicht, bei der die Spitzen-Longitudinal-Implantation-Konzentration (C_P) von der Resonatorregion 12 durch einen longitudinalen Abstand ΔZ_P getrennt ist, der größer als 0,5 Mikrometer (μm) ist.
Bei einigen Implementierungen ist die ionenimplantierte Region zwischen der lichtemittierenden Oberfläche 30 und der Resonatorregion 12 bei einer Position positioniert, an der die Spitzen-Longitudinal-Implantation-Konzentration (C_P) von der Resonatorregion 12 durch einen longitudinalen Ab stand ΔZ_P getrennt ist, der größer als dreimal die Streuung (ΔZ_S) der ionenimplantierten Region 28 ist. Die longitudinale Streuung (ΔZ_P) ist die Standardabweichung bei der Flächenkonzentration von implantierten Ionen um die laterale (in der X-Y-Ebene) Spitzen-Flächenionenkonzentration. In einer Formulierung kann die longitudinale Streuung unter Verwendung von Gleichung (1) berechnet werden:
wobei C(Z) die laterale Flächenkonzentration von implantierten Ionen (Ionen pro Einheitsfläche) ist und ϕ die Ionenimplantationsdosis ist, die durch Gleichung (2) gegeben ist.
Lichtemissionsspiegel-Reflexionsvermögen
Es wurde beobachtet, dass ein Reduzieren des Reflexionsvermögens des Lichtemissionsspiegels die Lichterzeugungseffizienz des VCSEL 10 durch ein Erhöhen des Vorwärtsleckstroms reduziert, wobei der Laserschwellenstrompegel erhöht wird. Wie es oben erläutert ist, wurde jedoch beobachtet, dass ein Erhöhen des Laserschwellenstrompegels durch ein Erhöhen des Leckstroms die L-I-Kennlinie für den VCSEL verbessert. Zusätzlich wurde beobachtet, dass ein Reduzieren des Reflexionsvermögens des Lichtemissionsspiegels auf diese Weise die optische Einmodenausgangsleistung erhöht.
Ein verbessertes VCSEL-Verhalten ist durch ein Konfigurieren des Lichtemissionsspiegels (z. B. des ersten Spiegels 14 bei dem VCSEL 10) erreicht, um ein Reflexionsvermögen aufzuweisen, das für Licht bei der Betriebswellenlänge vor zugsweise in einem Bereich von 99,0-99,9 und bevorzugter in einem Bereich von 99,3-99,7 liegt, und ein Konfigurieren des Nicht-Lichtemissionsspiegels (z. B. des zweiten Spiegels 16 bei dem VCSEL 10), um ein Reflexionsvermögen aufzuweisen, das für Licht bei der Betriebswellenlänge größer als 99,9 ist.
Erweiterte-Resonatorregion-Dicke
Ein verbessertes VCSEL-Verhalten ist durch ein Konfigurieren der Resonatorerweiterungsregion 26 erreicht, um eine Dicke in die longitudinale (Z) Richtung aufzuweisen, die größer als zweimal die Betriebswellenlänge ist. Bei einigen Implementierungen ist die optische Dicke der Resonatorerweiterungsregion weniger als zwanzig Mal die Betriebswellenlänge.
Wie es in 3 gezeigt ist, umfasst bei einigen Ausführungsbeispielen die Resonatorerweiterungsregion einen ersten Abschnitt 42, der benachbart zu dem ersten Spiegel 14 ist, und einen zweiten Abschnitt 44, der benachbart zu dem zweiten Spiegel 16 ist. In anderen Hinsichten ist die Resonatorerweiterungsregion 42, 44 die gleiche wie die Resonatorerweiterungsregion 26 bei dem VCSEL-Ausführungsbeispiel von 1.
II. EXEMPLARISCHE IMPLEMENTIERUNG DES VCSEL 10
Bei einigen exemplarischen Implementierungen des VCSEL 10 weist die aktive Region 19 eine optische Dicke in die longitudinale Richtung auf, die im Wesentlichen gleich der Betriebswellenlänge ist, und die Resonatorerweiterungsregion 26 weist eine optische Dicke in die longitudinale Richtung auf, die im Wesentlichen gleich einem ganzzahligen Mehrfachen der Hälfte der Betriebswellenlänge in dem Bereich von zweimal der Betriebswellenlänge und sechzehn Mal der Be triebswellenlänge ist. Der erste Spiegel 14 ist ein DBR-Spiegelstapel, der einundzwanzig Spiegelschichtpaare aufweist, die p-Typ dotiert sind, und der zweite Spiegel 16 ist ein DBR-Spiegelstapel, der vierzig Spiegelschichtpaare aufweist, die n-Typ dotiert sind. Die Laserwellenlänge liegt zwischen 780 nm und 850 nm mit einer nominalen Zielwellenlänge von 840 nm. Die DBR-Spiegel 14, 16 sind aus Viertelwellenstapeln von nominell Al_0,2Ga_0,8As bzw. Al_0,9Ga_0,1As gebildet. Eine hoch dotierte Kontaktschicht und ein Stromausbreiter sind auf dem ersten p-Typ-DBR-Spiegel 14 für einen guten Kontakt und ein Stromausbreiten platziert.
Die Implantationsapertur 32 ist vorzugsweise weniger als 12 μm im Durchmesser. Die Öffnung, die durch den elektrischen Kontakt 34 vom p-Typ definiert ist, ist kleiner als 10 μm im Durchmesser. Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Implantationsapertur in etwa 10 μm im Durchmesser ist, ist die Öffnung, die durch den elektrischen Kontakt vom p-Typ definiert ist, in etwa 6 μm im Durchmesser. Der elektrische Kontakt 34 vom n-Typ ist auf dem Substrat 18 platziert. Die Implantationsenergie zu einem Implantieren von Protonen, um die Stromeingrenzungsregion 28 zu bilden, beträgt 190 keV. Eine getrennte tiefe Implantation (25 μm im Durchmesser) wird verwendet, um einen lateralen Leckstrom durch den Übergang zu begrenzen.
Abhängig von der Länge des erweiterten Resonators wird ein Einmodenlasern bei einem DC-Betrieb (DC = Gleichsignal = direct current) (d. h. das Seitenmode-Unterdrückungsverhältnis (SMSR = side-mode suppression ratio) ist größer als 30 dB) für hohe Vorspannungsströme erreicht. Zum Beispiel wurde ein Einmodenlichtausgang bei mehr als 2,5 mW ohne ein Modenschalten bei einer Betriebsvorspannung von etwa 9 mA und 2,5 V für einen VCSEL mit einer Resonatorerweiterungsregion 26 mit einer Dicke von 10,5 Mal der Betriebswellenlänge, der aus einem Material gebildet ist, das der ersten Schicht des zweiten n-Typ-Spiegelstapels 16 entspricht, beobachtet.
4 zeigt einen Graphen einer optischen Lichtleistung (LOP = light optical power) und einer Spannung (V), die als eine Funktion eines Vorwärtsinjektionsstroms (Strom) aufgetragen sind, für unterschiedliche Implementierungen der exemplarischen Implementierung des VCSEL 10. 5 zeigt einen Graphen eines Seitenmode-Unterdrückungsverhältnisses, das als eine Funktion eines Vorspannungsstroms aufgetragen ist, für eine Implementierung des VCSEL von 1.
III. ZUSAMMENFASSUNG
Zusammenfassend gesagt zeichnen sich die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele durch oberflächenemittierende Einmodenvertikalresonatorlaser (VCSELs) aus, die einen Satz von Merkmalen aufweisen, die konfiguriert sind, um ein optisches Einmodenausgangsleistungsverhalten zu verbessern. Diese Kombination von Merkmalen beeinflusst kontraintuitiv die verbesserte Stromeinheitlichkeit absichtlichen Leckströmen und ein niedrigeres Emissionsspiegelreflexionsvermögen, die wirksam sind, um die Laserstromschwelle zu erhöhen, um VCSELs mit einer höheren Einmodenausgangsleistung zu erzeugen. Dies ermöglicht, VCSELs mit größeren Stromaperturen (und folglich niedrigeren Elektrostatische-Entladung-Schwellen und einem niedrigeren Reihenwiderstand) und einer höheren optischen Einmodenausgangsleistung zu bilden.
Andere Ausführungsbeispiele befinden sich innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche.

Claims

Oberflächenemittierender Vertikalresonatorlaser (VCSEL) (10), der betreibbar ist, um Einmodenlaserlicht bei einer Betriebswellenlänge zu erzeugen und folgende Merkmale aufweist: eine lichtemittierende Oberfläche (30); und eine monolithische longitudinale Stapelstruktur, die folgende Merkmale umfasst: einen ersten Spiegel (14), der ein optisches Reflexionsvermögen R₁ für Licht bei der Betriebswellenlänge aufweist, einen zweiten Spiegel (16), der ein optisches Reflexionsvermögen R₂ für Licht bei der Betriebswellenlänge aufweist, wobei R₁ und R₂ unterschiedliche jeweilige Werte aufweisen, von denen einer größer als 99,9% ist und von denen ein anderer kleiner als 99,7% ist, eine Resonatorregion (12), die zwischen dem ersten Spiegel (14) und dem zweiten Spiegel (16) angeordnet ist und eine aktive Lichterzeugungsregion (19) und eine Resonatorerweiterungsregion (26) umfasst; wobei die longitudinale Stapelstruktur ferner eine ionenimplantierte Stromeingrenzungsregion (28) umfasst, die durch eine Spitzen-Longitudinal-Implantation-Konzentration gekennzeichnet ist, die von der Resonatorregion (12) durch einen longitudinalen Abstand getrennt ist, der größer als 0,5 μm ist.
VCSEL gemäß Anspruch 1, der ferner einen Metallkontakt (34) aufweist, der auf der lichtemittierenden Oberflä che (30) angeordnet ist und eine Apertur definiert, wobei die ionenimplantierte Stromeingrenzungsregion (28) eine Stromapertur (32) definiert, die größer als die Apertur des Metallkontakts ist.
VCSEL gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem sowohl R₁ als auch R₂ zumindest 99,5% betragen.
VCSEL gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Resonatorerweiterungsregion (26) eine longitudinale optische Dicke aufweist, die größer als zweimal die Betriebswellenlänge ist.
VCSEL gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die longitudinale optische Dicke der Resonatorerweiterungsregion (26) kleiner als etwa zwanzig Mal die Betriebswellenlänge ist.
VCSEL gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem jeder des ersten und des zweiten Spiegels (14, 16) einen jeweiligen Stapel von abwechselnden Schichten von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweist, die jeweils eine longitudinale optische Dicke aufweisen, die im Wesentlichen gleich einem Viertel der Betriebswellenlänge ist, und die Resonatorregion (12) ohne der Resonatorerweiterungsregion (26) eine longitudinale optische Dicke aufweist, die im Wesentlichen gleich der Betriebswellenlänge ist.
VCSEL gemäß Anspruch 6, bei dem die Resonatorerweiterungsregion (26) benachbart zu einer der abwechselnden Schichten des ersten und des zweiten Spiegels (14, 16) ist.
VCSEL gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Resonatorerweiterungsregion (26) eine longitudinale optische Dicke aufweist, die im Wesentlichen gleich einem ganzzahligen Mehrfachen der Hälfte der Betriebswellenlänge ist.
VCSEL gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Resonatorerweiterungsregion (26) benachbart zu dem zweiten Spiegel (16) angeordnet ist und die gleiche Zusammensetzung wie eines der Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex in dem zweiten Spiegelstapel aufweist.
VCSEL gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Resonatorerweiterungsregion (26) zwischen der aktiven Lichterzeugungsregion und dem zweiten Spiegel (16) angeordnet ist.
VCSEL gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem ein erster Abschnitt der Resonatorerweiterungsregion (26) benachbart zu dem ersten Spiegel (14) ist und ein zweiter Abschnitt der Resonatorerweiterungsregion (26) benachbart zu dem zweiten Spiegel (16) ist.
VCSEL gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die ionenimplantierte Stromeingrenzungsregion (28) durch eine longitudinale Streuung (ΔZ_S) gekennzeichnet ist und die Spitzen-Longitudinal-Implantation-Konzentration von der Resonatorregion (12) durch einen longitudinalen Abstand getrennt ist, der größer als dreimal die longitudinale Streuung (ΔZ_S) ist.
VCSEL gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Stromeingrenzungsregion (28) eine Stromapertur (32) mit einem Durchmesser von weniger als 12 Mikrometern definiert.
Array von zwei oder mehr oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlasern (VCSELs), wobei jeder VCSEL folgende Merkmale aufweist: eine lichtemittierende Oberfläche; und eine monolithische longitudinale Stapelstruktur, die folgende Merkmale umfasst: einen ersten Spiegel (14), der ein optisches Reflexionsvermögen R₁ für Licht bei der Betriebswellenlänge aufweist, einen zweiten Spiegel (16), der ein optisches Reflexionsvermögen R₂ für Licht bei der Betriebswellenlänge aufweist, wobei R₁ und R₂ unterschiedliche jeweilige Werte aufweisen, von denen einer größer als 99,9% ist und von denen ein anderer kleiner als 99,7 ist, eine Resonatorregion (12), die zwischen dem ersten Spiegel (14) und dem zweiten Spiegel (16) angeordnet ist und eine aktive Lichterzeugungsregion (19) und eine Resonatorerweiterungsregion (26) umfasst; wobei die longitudinale Stapelstruktur ferner eine ionenimplantierte Stromeingrenzungsregion (28) umfasst, die durch eine Spitzen-Longitudinal-Implantation-Konzentration gekennzeichnet ist, die von der Resonatorregion (12) durch einen longitudinalen Abstand getrennt ist, der größer als 0,5 μm ist.
Verfahren zum Herstellen eines oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlasers (VCSEL) (10), das folgende Schritte aufweist: Bilden einer lichtemittierenden Oberfläche (30) und einer monolithischen longitudinalen Stapelstruktur, wobei die monolithische longitudinale Stapelstruktur folgende Merkmale umfasst: einen ersten Spiegel (14), der ein optisches Reflexionsvermögen R₁ für Licht bei der Betriebswellenlänge aufweist, einen zweiten Spiegel (16), der ein optisches Reflexionsvermögen R₂ für Licht bei der Betriebswellenlänge aufweist, wobei R₁ und R₂ unterschiedliche jeweilige Werte aufweisen, von denen einer größer als 99,9 ist und von denen ein anderer kleiner als 99,7% ist, eine Resonatorregion (12), die zwischen dem ersten Spiegel (14) und dem zweiten Spiegel (16) angeordnet ist und eine aktive Lichterzeugungsregion (19) und eine Resonatorerweiterungsregion (26) umfasst; Implantieren von Ionen in einer Stromeingrenzungsregion (28), die durch eine Spitzen-Longitudinal-Implantation-Konzentration gekennzeichnet ist, die von der Resonatorregion (12) durch einen longitudinalen Abstand getrennt ist, der größer als 0,5 μm ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, das ferner ein Bilden eines Metallkontakts auf der lichtemittierenden Oberfläche (30) aufweist, der eine Apertur definiert, wobei die ionenimplantierte Stromeingrenzungsregion (28) eine Stromapertur (32) definiert, die größer als die Apertur des Metallkontakts ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, bei dem die Resonatorerweiterungsregion (26) eine longitudinale optische Dicke aufweist, die größer als zweimal die Betriebswellenlänge und kleiner als etwa zwanzig Mal die Betriebswellenlänge ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem jeder des ersten und des zweiten Spiegels (14, 16) ei nen jeweiligen Stapel von abwechselnden Schichten von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweist, die jeweils eine longitudinale optische Dicke aufweisen, die im Wesentlichen gleich einem Viertel der Betriebswellenlänge ist, und die Resonatorregion (12) ohne der Resonatorerweiterungsregion (26) eine longitudinale optische Dicke aufweist, die im Wesentlichen gleich der Betriebswellenlänge ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem die Resonatorerweiterungsregion (26) eine longitudinale optische Dicke aufweist, die im Wesentlichen gleich einem ganzzahligen Mehrfachen der Hälfte der Betriebswellenlänge ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem die Resonatorerweiterungsregion (26) benachbart zu dem zweiten Spiegel (16) angeordnet ist und die gleiche Zusammensetzung wie eines der Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex in dem zweiten Spiegelstapel aufweist.