DE69830463T2 - Oberflächenemittierender Laser mit vertikalem Resonator und getrennten optischen Leitern und Stromleitern - Google Patents

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Description

  • Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein oberflächenemittierende Laser (VCSELs) und insbesondere solche Laser, bei denen sowohl der Ansteuerstrom als auch der Optikmodus eingeschränkt ist.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Im Vergleich zu herkömmlichen kantenemittierenden Halbleiterlasern versprechen VCSELs eine Reihe wünschenswerter Charakteristiken. Beispielsweise sorgt der kürzere Hohlraumresonator des VCSEL für eine bessere Längsmodenselektivität und somit schmalere Linienbreiten. Durch den Einsatz von mehrschichtigen DBR-Spiegeln zum Ausbilden eines Hohlraumresonators senkrecht zu den Schichten erübrigt sich die Notwendigkeit für den Spaltvorgang, den kantenemittierende Laser gemeinsam haben. Diese Orientierung des Resonators erleichtert außerdem sowohl die Herstellung der Laserarrays als auch das Testen der individuellen Laser auf Waferebene.
  • Im Stand der Technik wurden zwei grundlegende VCSEL-Designs vorgeschlagen: eines definiert ein Strombeschränkungsgebiet in einem p-dotierten Halbleiter-DBR-Spiegel mit Hilfe eines mit einer Apertur versehenen, einen hohen spezifischen Widerstand aufweisenden ionenimplantierten Gebiets (Siehe beispielsweise Y.H. Lee et al., Elect. Lett., Bd. 26, Nr. 11, S. 710–711 (1990) und T.E. Sale, Vertical Cavity Surface Emitting Lasers, Research Press Ltd., S. 117–127 (1995), wohingegen das andere das Strombeschränkungsgebiet mit Hilfe einer mit einer Apertur versehenen, einen hohen spezifischen Widerstand aufweisenden Oxidschicht definiert (Siehe beispielsweise D.L. Huffaker et al., Appl Phys. Lett., Bd. 65, Nr. 1, S. 97–99 (1994) und K.D. Choquette et al., Electr. Lett., Bd. 30, Nr. 24, S. 2043–2044 (1994).
  • Bei dem ionenimplantierten (I-I)-Ansatz werden Lichtionen (z.B. Protonen) bis auf relativ große Tiefen implantiert (z.B. etwa 3 um). Aufgrund der Ionenstreuung und anderer mit einer tiefen Implantierung verbundenen Schwierigkeiten jedoch, muß dieser Stromleiter relativ groß sein (z.B. > 10 μm). Diese beiden Faktoren blockieren das Skalieren der Bauelemente auf geringere Größen. Außerdem bildet der I-I-VCSEL keinerlei signifikanten optischen Leiter; d.h., er liefert keine Brechungsindexführung der Querlasermoden, wenngleich eine gewisse Gewinnführung der Moden vorliegen kann. Dadurch weisen diese Laser in der Regel Schwellströme > 1 mA und Arbeitsströme > 3 mA auf. Die elektrische Verlustleistung pro Laser beträgt deshalb mindestens mehrere mW. Im Gegensatz dazu hat sich gezeigt, daß der Oxid-(OX)-Beschränkungsansatz auf viel geringere Abmessungen skaliert werden kann (z.B. kann die Stromapertur nur 3 μm betragen), was eine Verringerung um eine Größenordnung sowohl beim Schwell- als auch beim Arbeitsstrom gestattet. Zudem bildet die mit einer Apertur versehene Oxidschicht auch einen Brechungsindexleiter, der zur Quermodenbeschränkung führt, was zu einer weiteren Reduzierung dieser Ströme um einen Faktor von mindestens zwei führt. Somit kann die Verlustleistung pro Bauelement um einen Faktor von mindestens zwanzig (bis auf einen Anteil eines mW) reduziert werden, im Vergleich zum I-I-Design. Die OX-VCSELs haben sich jedoch noch nicht als so zuverlässig herausgestellt wie I-I-VCSELs und weisen möglicherweise ein eingebautes Beanspruchungsproblem auf. (Siehe 5 auf S. 919 von K.D. Choquette et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 3, Nr. 3, S. 916–925 (Juni 1997). Außerdem ist der Oxidationsprozeß nicht sehr reproduzierbar und somit nicht förderlich für hohe Ausbeuten (Ibid auf S. 921, 924). Insbesondere bringt dieser Prozeß das Oxidieren einer stark Al-haltigen Gruppe III-V-Schicht mit sich, nachdem sie von zwei anderen Schichten bedeckt worden ist; d.h. die äußeren Kanten der stark Al-haltigen Schicht sind Wasserdampf ausgesetzt, so daß die Oxidation nach innen (d.h. seitlich) über relativ große Strecken (z.B. einige 10 μm) in Richtung zur Mitte fortschreitet und doch präzise gestoppt werden muß, damit ein Stromleiter mit sehr kleinem Durchmesser (z.B. 3 μm) unoxidiert zurückbleibt. Dieser Prozeß bringt das Steuern der Oxidationszeit mit sich, wobei das Wissen über die Oxidationsrate vorausgesetzt wird. Diese Rate hängt jedoch von vielen Faktoren ab, einschließlich Parametern des Prozesses und Eigenschaften der zu oxidierenden Materialien. Eine Steuerung aller dieser Faktoren ist sehr schwierig.
  • Somit besteht in der Technik weiterhin ein Bedarf an einem VCSEL-Design, das sowohl Strom- als auch optische Beschränkung liefert und doch skalierbar und reproduzierbar ist und sich für Arrayanwendungen anbietet.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen VCSEL gemäß Anspruch 1 der beiliegenden Ansprüche bereit.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein VCSEL separate Strom- und optische Leiter, die einzigartige Formen zum Beschränken des Ansteuerstroms als auch des Quermodus bereitstellen. Bei einer Ausführungsform umfaßt der optische Leiter einen quer zur Hohlraumresonatorachse angeordneten, einen hohen Brechungsindex aufweisenden Intracavity-Mesa und einen mehrschichtigen dielektrischen (d.h. nicht-epitaxialen) Spiegel über dem Mesa. Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Stromführung eine ringförmige erste Elektrode, die den Mesa seitlich umgibt, aber einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der einer durch Ionenimplantierung definierten Stromapertur. Die Stromführung bewirkt einen Stromfluß seitlich von der ersten Elektrode entlang eines ersten Wegsegments, das im wesentlichen senkrecht zur Resonatorachse verläuft, dann vertikal von dem ersten Segment entlang eines zweiten Wegsegments im wesentlichen parallel zu dieser Achse und schließlich durch die Stromapertur und das aktive Gebiet zu einer zweiten Elektrode.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Herstellen eines VCSEL die folgenden Schritte: Ausbilden eines ersten mehrschichtigen Spiegels, Ausbilden einer Stromrückführungsschicht, Ausbilden eines aktiven Gebiets, Ausbilden einer Stromführung zum Bewirken eines Stromflusses durch eine Stromapertur zu dem aktiven Gebiet, Ausbilden einer optischen Führung in Form eines einen hohen Brechungsindex aufweisenden Mesas, Ausbilden einer ersten Elektrode, die den Mesa seitlich umgibt, Ausbilden einer zweiten Elektrode zu der Stromrückführungsschicht und Ausbilden eines zweiten mehrschichtigen Spiegels, um den Mesa zumindest teilweise darin einzubetten. Die Herstellung dieser Führungen wird durch die Verwendung eines dielektrischen (d.h. nicht-epitaxialen) zweiten Spiegels erleichtert, der nach der Herstellung der Führungen abgeschieden wird.
  • Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der erste Spiegel durch epitaxiales Aufwachsen von Halbleiterspiegeln und der zweite Spiegel durch Elektronenstrahlabscheidung dielektrischer Schichten ausgebildet. Bei einer weiteren Ausführungsform sind beide Spiegel abgeschiedene dielektrische Schichten.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung kann zusammen mit ihren verschiedenen Merkmalen und Vorteilen ohne weiteres anhand der folgenden ausführlicheren Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung verstanden werden, bei der die einzelne Figur eine schematische Querschnittsansicht eines VCSEL gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Der Klarheit und Einfachheit halber ist die Figur nicht maßstabsgetreu gezeichnet. In dieser Hinsicht ist der VCSEL tatsächlich viel stärker planar, als dies in der Figur erscheint, und eignet sich als solcher für das Flip-Chip-Bonden an beispielsweise einen anderen Chip oder eine Leiterplatte. Außerdem steht bei der Beschreibung von physischen oder optischen Abmessungen das Symbol A für Angström, wobei 1 nm = 10 Angström, wohingegen es bei der Beschreibung eines elektrischen Stroms für Ampere steht.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Nunmehr unter Bezugnahme auf die Figur umfaßt ein VCSEL 10 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung einen ersten und zweiten mehrschichtigen Spiegel 12 bzw. 14, die einen optischen Hohlraumresonator bilden, dessen Achse senkrecht zu den Schichten verläuft. Ein aktives Gebiet 16 und ein optischer Leiter 20 sind innerhalb des Resonators angeordnet und senkrecht zu seiner Achse orientiert. Das aktive Gebiet erzeugt bei geeigneter Pumpung stimulierte Emission von Strahlung (bei einer Mittenwellenlänge λ), die sich entlang der Resonatorachse ausbreitet und aus dem Resonator als ein Ausgangssignal 40 durch einen der Spiegel austritt (z.B. den zweiten Spiegel 14). Gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung dient der optische Leiter 20 in Form eines einen relativ hohen Brechungsindex aufweisenden Mesas dazu, die Quermoden der Laserstrahlung zu beschränken; d.h. anders betrachtet definiert er die Strahlentaille der Strahlung. Gemäß einem anderen Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das aktive Gebiet mit Hilfe eines Stromleiters 18 gepumpt, der eine Strombeschränkungsapertur 18.6 enthält.
  • Der Stromleiter 18 umfaßt eine eine relativ hohe Leitfähigkeit aufweisende kontakterleichternde Schicht 18.1, eine auf der Schicht 18.1 ausgebildete ringförmige erste Elektrode 18.4, eine eine geringere Leitfähigkeit aufweisende Schicht 18.2 unter der Schicht 18.1 und ein Gebiet oder eine Zone 18.3, das bzw. die in der Schicht 18.2 ausgebildet ist, einen hohen spezifischen Widerstand aufweist und ionenimplantiert ist. Das Gebiet 18.3 weist in der Regel eine ringförmige Gestalt auf, deren mittlere Öffnung die Strombeschränkungsapertur 18.6 bildet. Da der Innendurchmesser der ersten Elektrode 18.4 größer ist als der Durchmesser der Apertur 18.6 besteht ein Gesamteffekt des Leiters 18 darin, daß Strom von der ersten Elektrode 18.4 im wesentlichen horizontal (d.h. senkrecht zur Resonatorachse) entlang eines ersten Wegsegments durch die Schicht 18.1 fließt. Das ionenimplantierte Gebiet bewirkt dann, daß der Strom die Richtung ändert und im wesentlichen vertikal (d.h. parallel zur Resonatorachse) entlang eines zweiten Wegsegments durch den oberen Abschnitt der Schicht 18.2 zur Apertur 18.6 fließt. An diesem Punkt fließt der Strom weiter im wesentlichen vertikal durch das aktive Gebiet 16 und beendet seinen Weg zur zweiten ringförmigen Elektrode 26 über eine eine hohe Leitfähigkeit aufweisende Stromrückführungsschicht 22, die zwischen dem aktiven Gebiet 16 und dem ersten Spiegel 12 angeordnet ist.
  • Um die Implantierungstiefe präzise zu steuern, ist das Gebiet 18.3 bevorzugt mit relativ schweren Ionen (z.B. Sauerstoff, Fluor) bis auf eine relativ flache Tiefe (z.B. 0,1–0,2 μm) unter der Oberseite der eine hohe Leitfähigkeit aufweisenden Schicht 18.1 implantiert. Nach der Ionenimplantierung wird die Struktur auf geeignete Weise ausgeheizt, um flache Haftstellen 18.1 und 18.2 zu entfernen und dennoch tiefe Haftstellen beizubehalten, die im Gebiet 18.3 einen hohen spezifischen Widerstand erzeugen. (Siehe S.J. Pearton et al., Materials Research Society Symposium Proceedings, Bd. 216, S. 451–457 (1991).
  • Um die Ausbildung der ersten Elektrode 18.4 auf der eine hohe Leitfähigkeit aufweisenden Schicht 18.1 zu erleichtern, die in der Regel relativ dünn ist (z.B. einige wenige 100 A), kann außerdem die Schicht 18.1 durch einen Verbund aus drei Teilschichten (nicht gezeigt) ersetzt werden; nämlich eine eine relativ niedrige Leitfähigkeit aufweisende Schicht, die zwischen einem Paar von eine höhere Leitfähigkeit aufweisenden Schichten geschichtet ist, wobei die untere Teilschicht relativ weit unter (z.B. 1500 A) der Oberseite der oberen Teilschicht liegt, wo die Elektrode ausgeformt würde. Die Schicht 18.3 würde sich dann 2000–3000 A unter der Oberseite der Schicht 18.1 befinden. Die Dicke und Plazierung der drei Schichten werden durch das Stehwellenmuster des Resonanzhohlraums bestimmt; d.h., jede eine hohe Leitfähigkeit aufweisende Schicht, in der Regel einige wenige 100 A dick, überspannt einen Knoten (um die Absorption freier Träger zu reduzieren), und die Dicke der eine geringe Leitfähigkeit aufweisenden Schicht ist so gewählt, daß die Knoten Nλ/2n beabstandet sind, wobei N eine positive ganze Zahl und n der effektive Brechungsindex des aktiven Gebiets ist.
  • Die Spiegel sind beispielhaft mehrschichtige DBR-Reflektoren, die abwechselnde Mengen von Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex umfassen. Der Spiegel 12 umfaßt wie dargestellt abwechselnde epitaxiale Schichten aus Verbundhalbleitermaterial der Gruppe III–V, wobei jede Schicht etwa λ/4ns dick ist, wobei ns der Brechungsindex der entsprechenden Schicht des Halbleiterspiegels 12 ist. In der Regel umfaßt eine Menge Schichten aus AlxGal1-xAs und die andere Menge Schichten aus AlyGa1-yAs, wobei x und y voneinander verschieden sind. Im Gegensatz dazu umfaßt der Spiegel 14 abwechselnde Schichten aus dielektrischem (d.h. nicht-epitaxialem) Material, wobei jede Schicht etwa λ/4nD dick ist, wobei nD der Brechungsindex der entsprechenden Schicht des dielektrischen Spiegels 14 ist. In der Regel umfaßt eine Menge Schichten eines Mg F2-CaF2-Verbundmaterials, wobei die andere Menge Schichten aus ZnS umfaßt. Verbundstoffe mit etwa 95% MgF2 und 5% CaF2 Molanteil in der Schicht werden unter dem Gesichtspunkt der Schichtenhaftung (aneinander) und der optischen Streuung bevorzugt. Fluoridschichten mit dieser Zusammensetzung werden bevorzugt durch Elektronenstrahlabscheidung aus einer eutektischen Schmelze hergestellt, die etwa 47 Gew.-% MgF2 und 53 Gew.-% CaF2 oder äquivalent 53% MgF2 und 47% CaF2 Molanteil umfaßt.
  • Falls alternativ das Substrat 24 entfernt würde, nachdem die anderen Abschnitte des Lasers hergestellt worden sind, dann könnte der Spiegel 12 auch dielektrische Schichten des unter Bezugnahme auf Spiegel 14 beschriebenen Typs umfassen. In diesem Fall könnte von beiden Spiegeln ein Ausgangssignal austreten. Ein oder mehrere Paare eines der dielektrischen Spiegel könnten aber auch durch eine Beschichtung aus einem einen hohen Reflexionsgrad aufweisenden Metall (z.B. Au oder Ag) ersetzt werden, wodurch erzwungen wird, daß das Ausgangssignal nur aus dem anderen Spiegel austritt. Die Metallbeschichtung kann auch dazu dienen, das topologische Profil des Bauelements zu reduzieren. Der Ausdruck Substrat, wie er hier verwendet wird, bedeutet jedes Trägerelement, auf dem andere Schichten des Lasers ausgebildet sind. Es könnte beispielsweise ein einkristalliner Körper sein, auf dem epitaxiale Schichten aufgewachsen werden, oder es könnte eine Kombination aus einem derartigen Substrat und einer epitaxialen Pufferschicht sein.
  • Der optische Leiter 20 ist zumindest teilweise in den Spiegel 14 eingebettet; d.h., der Spiegel 14 liegt über dem Leiter 20 und kontaktiert diesen direkt. Somit ist der Durchmesser des Spiegels 14 größer als der des Leiters 20, was dazu dient, mindestens einen Teil einer beliebigen Strahlung zu reflektieren, der sich außerhalb der durch den Leiter 20 definierten Strahltaille befindet, und kann größer sein als der Innendurchmesser der Elektrode 18.4, wie gezeigt. Als Veranschaulichung umfaßt der Leiter 20 einen Mesa, der durch eine einen relativ hohen Brechungsindex aufweisende Schicht 20.1 (z.B. GaAs) gebildet wird, und kann auch eine darunterliegende Ätzstopschicht 20.2 (z.B. eine InGaP-Schicht) und eine darüberliegende Schutzschicht 20.3 (z.B. eine Glasschicht) enthalten. Die Querschnittsform des Mesas kann wie gezeigt rechteckig sein oder gekrümmt (z.B. konvex, wobei der Mesa in der Mitte dicker ist und sich zu dünner an seinen Rändern verjüngt). Bevorzugt liegt eine der einen niedrigeren Brechungsindex aufweisenden Schichten des Spiegels 14 unmittelbar neben der einen höheren Brechungsindex aufweisenden Schicht 20.1 (oder, falls verwendet, der Schutzschicht 20.3) des Mesas, und der Brechungsindex der Schicht 20.1 sollte größer sein als der der unmittelbar benachbarten Schicht des Spiegels.
  • Die Ätzstopschicht 20.2 gestattet das gesteuerte Ätzen, um diejenigen Teile der kontakterleichternden Schicht 18.1 freizulegen, auf die die Elektrode 18.4 ausgebildet wird. Andererseits stellt die Schutzschicht 20.3 sicher, daß die obere Oberfläche der einen hohen Index aufweisenden Schicht 20.1 während verschiedener Bearbeitungsschritte optisch glatt bleibt und daß die hier erörterte Dicke von Nλ/2n beibehalten wird. Dazu sollte die Schutzschicht 20.3 gegenüber allen Chemikalien beständig sein, die in nachfolgenden Bearbeitungsschritten verwendet werden (z.B. einen Entwickler, der in einem Ablöseprozeß verwendet wird, oder eine Chemikalie, die in einem Reinigungsschritt verwendet wird). Außerdem sollte sie einen Brechungsindex ähnlich dem der benachbarten, einen niedrigen Brechungsindex aufweisenden Schicht des Spiegels 14 aufweisen. Dünne Schichten aus Glas, wie etwa Aluminium-Borsilikatglas (n = 1,47) mit einer Dicke von etwa 50–150 A, sind für diesen Zweck besonders geeignet. Letzteres Glas kann über einen Elektronenstrahl aus Ausgangsmaterial abgeschieden werden (z.B. etwa 1 Gew.-% Al2O3, 3 Gew.-% B2O3 und 96 Gew.-% SiO2), das unter der Handelsbezeichnung VYCOR von der Firma Corning Glassworks, Inc., Corning, N.Y., USA im Handel erhältlich ist.
  • Das aktive Gebiet 16 ist zwischen den Stromleiter 18 und der Stromrückführungsschicht 22 angeordnet. Bei dem aktiven Gebiet kann es sich um eine einzelne Schicht handeln, es ist aber bevorzugt ein MQW-Gebiet (Multi-Quantum Well – Mehrfachquantentopf), das abwechselnde Schichten mit unterschiedlicher Bandlücke umfaßt; z.B. GaAs-Quantentopfschichten, mit AlGaAs-Barrierenschichten verschachtelt, für den Betrieb bei der Mittenwellenlänge von etwa 0,85 μm. Andererseits umfaßt die Schicht 22 in der Regel GaAs- vom n-Typ. Analog können die Halbleiterschichten des Stromleiters 18 aus GaAs bestehen, doch ist die Schicht 18.1 vom p++-Typ und die Schicht 18.2 ist vom p–-Typ (auch als n-Typ bekannt). Bevorzugt sollte die Gesamtdicke der Schicht 22, des aktiven Gebiets 16, der Schichten 18.1 und 18.2 und des optischen Leiters 20 zusammen Nλ/2n sein, wie oben beschrieben, außer daß N > 1. Um die Absorption von freien Trägern zu reduzieren, liegt die eine hohe Leitfähigkeit aufweisende Schicht 18.1 bevorzugt im wesentlichen an einem Knoten der stehenden Welle der Laserstrahlung in dem Hohlraumresonator. Um die Wechselwirkung zwischen dem optischen Feld der Strahlung und den eingekoppelten Minoritätsträgern zu erhöhen, liegt das aktive Gebiet andererseits bevorzugt im wesentlichen an einem Schwingungsbauch der stehenden Welle.
  • Für den Betrieb bei anderen Mittenwellenlängen könnte das aktive MQW-Gebiet aus anderen Halbleitermaterialien bestehen, wie etwa InP und InGaAsP (z.B. für den Betrieb bei 1,3 μm oder 1,5 μm), und die Spiegel müssten aus wohlbekannten Materialien bestehen, mit denen man bei diesen Wellenlängen einen geeigneten Reflexionsgrad erhält. Für den Betrieb bei 0,98 μm könnte das aktive MQW-Gebiet analog aus InGaAs und GaAs oder aus InGaAs und GaAsP hergestellt sein.
  • Die Elektroden 26 und 18.4 auf dem VCSEL sind bevorzugt ringförmige Kontakte, die sich wie gezeigt auf der gleichen Seite des Laser befinden, um Anwendungen wie etwa Flip-Chip-Bonden des Lasers zu einem anderen Chip oder einer Leiterplatte zu erleichtern. Für andere Anwendungen jedoch könnte der Kontakt 26 stattdessen ein großflächiger Kontakt sein, der sich am Boden des Substrats 24 befindet, wenn der Spiegel 12 und das Substrat 24 geeignet dotiert sind, damit man einen niederohmigen Weg dorthindurch erhält.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein VCSEL des oben beschriebenen Typs über eine Sequenz von Prozeßschritten hergestellt, die seitliche strukturelle Merkmale erzeugt, die reproduzierbar auf kleinere Größen als jene der VCSELs nach dem Stand der Technik reproduziert werden können und was ermöglicht, den optischen Leiter 20 vor der Ausbildung des Spiegels 14 auszubilden. Als Veranschaulichung beinhaltet die allgemeine Prozeßsequenz die folgenden Schritte: Bereitstellen eines einkristallinen Substrats 24, Ausbilden des Spiegels 12 auf dem Substrat 24, Ausbilden der Stromrückführungsschicht 22, Ausbilden des aktiven MQW-Gebiets 16, Ausbilden des Stromleiters 18 auf dem aktiven Gebiet, Ausbilden des optischen Leiters 20 auf dem Stromleiter 18, Ausbilden von Elektroden 26 und 18.4 zu dem Laser und Ausbilden des Spiegels 14 auf dem optischen Leiter 20. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Spiegel 12 epitaxial aufgewachsen und der Spiegel 14 wird über einen Elektronenstrahl abgeschieden. Bei einer weiteren Ausführungsform werden beide Spiegel über einen Elektronenstrahl abgeschieden. Bei noch einer weiteren Ausführungsform wird der Spiegel 14 so ausgeführt, daß er die ringförmige Elektrode 18.4 überlappt.
  • Obwohl zum Ausbilden der verschiedenen Halbleiterschichten des VCSEL eine Reihe von Techniken für epitaxiales Aufwachsen verwendet werden können, sind sowohl die Molekularstrahlepitaxie (MBE) als auch Metallorganische Chemische Dampfabscheidung (MOCVD) beide gut für die Dickensteuerung geeignet, die für viele der extrem dünnen Schichten erforderlich ist; z.B. die Schichten des Spiegels 12 und das aktive MQW-Gebiet 16. Andererseits werden die dielektrischen (nicht-epitaxialen) Schichten des Spiegels 14 in der Regel durch Elektronenstrahlabscheidung aus einkristallinen Ausgangsmaterialien unter Bedingungen ausgebildet, die eine kristalline Entglasung vermeiden. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 5,206,871, das am 27. April 1993 an D.G. Deppe et al. erteilt wurde. Andere Techniken wie etwa Sputtern oder Plasmaabscheidung sind möglicherweise ebenfalls geeignet.
  • Über einen Maskierungsprozeß können die Stromapertur 18.6 und der Leiter 20 als selbstjustierte Struktur definiert werden. Das heißt, die gleiche Fotolackmaske, mit der die Apertur 18.6 gegenüber Ionenimplantierung abgeschirmt wird, kann auch zum Ätzen der Form des Mesa verwendet werden, wobei die darunterliegende Ätzstopschicht 20.2 das Ätzen der darüberliegenden, einen hohen Index aufweisenden Schicht 20.1 erleichtert. In einigen Fällen ist es jedoch möglicherweise vorteilhaft, die Apertur 18.6 und den Leiter 20 mit verschiedenen Durchmessern auszubilden (d.h. eine Struktur, die nicht selbstjustiert ist).
  • Andererseits wird zum Strukturieren des dielektrischen Spiegels 14 ein anderer Maskierungsprozeß verwendet. Im einzelnen wird eine Schicht aus Fotolack (PR) auf dem Wafer abgeschieden, nachdem die Kontakte ausgebildet worden sind. Die Dicke des PR sollte größer sein als die beabsichtigte Höhe des Spiegels 14. Eine einspringende Öffnung wird in dem PR ausgebildet. Als Veranschaulichung weist die wiedereinspringende Öffnung einen trapezförmigen Querschnitt auf, wobei die Oberseite des Trapezes der Oberseite der Öffnung entspricht. Der dielektrische Spiegel wird dann in der Öffnung und auf der Oberseite des PR abgeschieden. Zuletzt wird der PR durch geeignetes Ätzen abgelöst, wodurch der gewünschte dielektrische Spiegel auf der Oberseite des VCSEL zurückbleibt.
  • Beispiel
  • Das folgende Beispiel beschreibt die Herstellung eines VCSEL des in der Figur dargestellten Typs. Wenngleich die Herstellung eines einzelnen Bauelements beschrieben wird, versteht sich natürlich, daß in der Regel auf einem einzelnen Wafer ein Array von Bauelementen ausgebildet wird. Die verschiedenen Materialien, Abmessungen und andere Parameter werden nur zur Veranschaulichung angegeben und sollen, soweit nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken. Alle Halbleiterschichten wurden über MBE und MOCVD aufgewachsen. Der Ausdruck undotierte epitaxiale Schicht, wie er hier verwendet wird, bedeutet allgemein, daß die Schicht nicht absichtlich dotiert war, aber einer schwachen Dotierung von Hintergrunddotierstoffen in der Wachstumskammer unterworfen gewesen sein könnte.
  • Der VCSEL 10 war für den Betrieb bei einer Freiraum-Mittenwellenlänge von etwa 0,98 μm, einem Schwellwertstrom von etwa 1 mA, einem Arbeitsstrom von etwa 3–5 mA und einer Verlustleistung von etwa 5–10 mW ausgelegt. Dazu umfaßte der Laser: ein aus kommerziellen Quellen erhaltenes n+-dotiertes einkristallines GaAs-Substrat; ein DBR-Spiegel 12 umfaßte 28 Paare von n+-dotierten GaAs/AlAs-Schichten, jeweils mit Si bis auf etwa 3 × 1018 cm–3 dotiert und etwa 696 A bzw. 829 A dick; eine mit Si auf etwa 1 × 1018 cm–3 dotierte GaAs-Stromrückführungsschicht 22 vom n-Typ, ein aktives MQW-Gebiet 16 mit 3 Paaren undotierter In0,2Ga0,8As/GaAs-Schichten, wobei jede Schicht etwa 80 A dick ist; eine GaAs-Schicht 18.2 vom n-Typ, etwa 3000 A dick und mit Be auf etwa 5 × 1017 cm–3 dotiert; ein mit Fluorionen (bei 100 keV und einer Dosis von 4 × 1012 cm–2) bis zu einer Tiefe von etwa 0,1–0,2 μm unter der Oberseite der Schicht 18.1 implantiertes Gebiet 18.3, das eine kreisförmige Stromapertur 18.6 entweder mit einem Durchmesser von etwa 6 μm oder einem Durchmesser von etwa 10 μm bildet; eine GaAs-Schicht 18.1 vom p++-Typ mit einer Dicke von etwa 300 A und mit C bis auf etwa 1020 cm–3 dotiert; eine etwa 200 A dicke undotierte In0,5Ga0,5P-Schicht 20.2; eine etwa 300 A dicke undotierte GaAs-Schicht 20.1 und eine etwa 80 A dicke Schutzschicht 20.3 aus Aluminium-Borsilikatglas.
  • Um in den Schichten 18.1 und 18.2 flache Haftstellen zu entfernen, wurde die Struktur etwa 20 min lang bei etwa 500°C ausgeheizt.
  • Die beiden Elektroden, beide in Form eines Rings, wurden durch herkömmliche Elektronenstrahlverdampfungstechniken abgeschieden, um die Elektrode 18.4 als einen ohmschen Kontakt vom p-Typ und die Elektrode 26 als einen ohmschen Kontakt vom n-Typ auszubilden.
  • Nach dem Abscheiden der Elektroden wurde eine Schutzschicht 15 aus Aluminium-Borsilikatglas auf der Halbleiteroberfläche abgeschieden, worauf der dielektrische Spiegel 14 später ausgebildet werden sollte, um die Oberfläche gegenüber einem Angriff von dem PR-Entwickler zu schützen (unten beschrieben). Die Schutzschicht 15, die etwa 80 A dick war und einen Brechungsindex von 1,47 aufwies, wurde von einem Ausgangsmaterial, das etwa 1% Al2O3, 3% B2O3 und 96% SiO2 umfaßte, über einen Elektronenstrahl abgeschieden. Dann wurde der dielektrische Spiegel 14 durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden und durch eine Ablösetechnik wie folgt strukturiert.
  • Ein negativwirkender PR (d.h. NR8-3000 PR, erhalten von Futurrex Inc., Franklin, N.J., USA) wurde bei 3000 UpM auf die Oberseite des Wafers aufgeschleudert. Der PR wurde dann auf einer Heizplatte 1 min lang bei 130°C vorgehärtet. Licht mit einer Wellenlänge von 385 nm und einer Energie von 150 mJ wurde durch eine geeignete Schattenmaske auf den PR gerichtet. Wie bei standardmäßiger Fotolithografie wurde somit nur das Gebiet belichtet, wo eine Öffnung ausgebildet (und ein Spiegel abgeschieden) werden sollte. Dann wurde der PR 10 min lang in einem wäßrigen alkalischen RD2-Entwickler getränkt. Infolgedessen wurde in den PR eine wiedereintretende, trapezförmige Öffnung mit einer Breite von etwa 6 μm an der Oberseite (in anderen Fällen 10 μm breit) mit einem Unterschnitt von etwa 1 μm ausgebildet. Die Öffnung wurde bei 250 mTorr und 50 W 2 min lang in einem Sauerstoffplasma gereinigt. Dann wurde der dielektrische Spiegel 14 wie unten beschrieben abgeschieden.
  • Der Spiegel 14 umfaßte 6 Paare von Schichten, wobei jedes Paar eine MgF2-CaF2-Schicht mit einem Brechungsindex von 1,38 und einer Dicke von etwa 1775 A und eine ZnS-Schicht mit einem Brechungsindex von 2,30 und einer Dicke von etwa 1065 A enthielt. Um eine kristalline Entglasung zu vermeiden, wurden die ersten Schichten über einen Elektronenstrahl in einer Vakuumkammer bei einem Druck von 1 × 10–6 bis 5 × 10–6 Torr und bei einer Substrattemperatur von 50–80°C abgeschieden. Die Abscheidung fand von einem einkristallinen eutektischen Ausgangsmaterial (d.h. Schmelze) von etwa 47 Gew.-% MgF2 und 53 Gew.-% CaF2 oder äquivalent 53% MgF2 und 47% CaF2 Molanteil statt. Um von allen Oberflächen der Kammer und des Substrats Wasser zu entfernen, wurde das Substrat etwa 15 min lang auf über 100°C erhitzt (z.B. 108°C) bevor es auf die Abscheidungstemperatur (z.B. 62°C) abgesenkt wurde.
  • Nach dem Abscheiden des Spiegels wurde eine Ablösung des PR durch 2minütiges Tränken in kochendem Aceton vorgenommen. Restliche Flocken von PR wurden mit einem Acetonspray entfernt.
  • Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Anordnungen für die vielen möglichen spezifischen Ausführungsformen, die erdacht werden können, um die Anwendung der Prinzipien der Erfindung darzustellen, lediglich veranschaulichend sind. Der Fachmann kann sich zahlreiche und verschiedene weitere Anordnungen gemäß diesen Prinzipien ausdenken, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
  • Insbesondere können beide Spiegel 12 und 14 aus dielektrischen Schichten hergestellt sein. Bei diesem Design würden alle Halbleiterschichten (z.B. Stromrückführungsschicht 22, aktives Gebiet 16, Stromleiterschichten 18.1 und 18.2 und die optische Apertur 20) zuerst auf dem Substrat aufgewachsen werden, die Leiter würden ausgebildet werden, die Kontakte würden hergestellt werden und der Spiegel 14 würde wie oben beschrieben abgeschieden werden. Dann würde das Substrat entfernt werden (z.B. durch eine geeignete Ätztechnik), und der Spiegel 12 würde auf der freigelegten Schicht 22 wieder unter Einsatz des oben beschriebenen Verfahrens abgeschieden werden. Anstatt das gesamte Substrat zu entfernen, kann darin eine Öffnung ausgebildet werden, die einen Teil der Stromrückführungsschicht 22 freilegt. Der Spiegel 12 würde dann in der Öffnung abgeschieden werden.
  • Außerdem kann die wohlbekannte Technik der Delta-Dotierung verwendet werden, um irgendwelche der Halbleiterschichten zu dotieren, insbesondere solche mit hohen Niveaus an Trägerkonzentration (z.B. Schichten 18.1 und 22). Außerdem könnten die Leitfähigkeitstypen der verschiedenen Schichten umgekehrt werden; z.B. könnte der Stromleiter 18 vom n-Typ anstatt vom p-Typ sein, und die Stromrückführungsschicht 22 könnte vom p-Typ anstatt vom n-Typ sein.

Claims (9)

  1. VCSEL, der folgendes umfaßt: ein Paar mehrschichtige Spiegel (12, 14), die einen Hohlraumresonator mit einer Resonatorachse senkrecht zu den Schichten bilden, ein aktives Gebiet (16), das in dem Resonator angeordnet ist, Stromführungsmittel (18) zum Lenken von Strom durch eine Stromapertur zu dem aktiven Gebiet zum Erzeugen stimulierter Emission von Strahlung, die sich entlang der Achse ausbreitet, wobei ein Teil der Strahlung ein Ausgangssignal (40) bildet, das aus dem Resonator austritt, wobei der Laser einen optischen Leiter (20) in Form eines einen relativ hohen Brechungsindex aufweisenden Mesas (20.1) enthält, der quer zur Achse und zwischen einem der Spiegel (14) und dem aktiven Gebiet angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Leiter (20) von dem Stromführungsmittel (18) getrennt ist, der Mesa (20.1) zumindest teilweise in den einen Spiegel (14) eingebettet ist und der Brechungsindex des Mesas (20.1) größer ist als der des Abschnitts des einen Spiegels (14) unmittelbar neben dem Mesa (20.1).
  2. Erfindung nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser des einen Spiegels (14) größer ist als der Durchmesser des Mesas (20.1).
  3. Erfindung nach Anspruch 1, wobei der Mesa (20.1) auf die Stromapertur ausgerichtet ist.
  4. Erfindung nach Anspruch 1, wobei das Stromführungsmittel (18) eine ionenimplantierte Zone (18.3) mit einer Öffnung (18.6) darin enthält, die die Stromapertur bildet, wobei das Stromführungsmittel weiterhin eine ringförmige erste Elektrode (18.4) enthält, die den Mesa (20.1) seitlich umgibt und einen Innendurchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der Stromapertur, und wobei der eine Spiegel (14) die erste Elektrode überlappt.
  5. Erfindung nach Anspruch 4, wobei das Stromführungsmittel (18) einen mehrschichtigen Stapel enthält, der zwischen der ersten Elektrode (18.4) und der Stromapertur angeordnet ist, wobei der Stapel eine eine relativ hohe Leitfähigkeit aufweisende erste Schicht (18.1) und eine eine niedrigere Leitfähigkeit aufweisende zweite Schicht (18.2) umfaßt, wobei die ionenimplantierte Zone (18.3) in der zweiten Schicht (18.2) angeordnet ist.
  6. Erfindung nach Anspruch 5, wobei sich die erste Schicht (18.1) im wesentlichen an einem Knoten der stehenden Welle der Strahlung in dem Resonator befindet.
  7. Erfindung nach Anspruch 5, wobei die erste Schicht (18.1) mindestens drei Teilschichten umfaßt, die ein Paar eine relativ hohe Leitfähigkeit aufweisende Teilschichten und eine dazwischen angeordnete, eine niedrigere Leitfähigkeit aufweisende Teilschicht enthalten.
  8. Erfindung nach Anspruch 1, wobei der eine Spiegel (14) verschachtelte Mengen von dielektrischen Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex umfaßt und wobei jede der dielektrischen Schichten in einer Menge einen Verbundstoff aus MgF2 und CaF2 und jede der dielektrischen Schichten in der anderen Menge ZnS umfaßt.
  9. Erfindung nach Anspruch 8, wobei jede der Schichten in der einen Menge etwa 95% MgF2 und 5% CaF2 Molanteil umfaßt.
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