WO2001057977A1 - Vcsel mit monolithisch integriertem photodetektor - Google Patents

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WO2001057977A1
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laser
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Gunther Steinle
Hans-Dietrich Wolf
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Infineon Technologies Ag
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    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
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    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/305—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region characterised by the doping materials used in the laser structure
    • H01S5/3095—Tunnel junction

Definitions

  • the present invention relates to VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) with a photodetector, which is monolithically integrated in the resonator between the resonator end mirrors (DBR grating), for optical transmission paths for high data rates.
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • the electrical and optical properties e.g. Threshold current and differential efficiency vary in the case of laser diodes from component to component.
  • the properties of each component depend on the temperature and are subject to long-term and short-term fluctuations. Therefore, it is necessary to have an electrical feedback signal that provides direct information about the actual optical output power of the laser and can be used to measure both the DC bias and the modulation depth of the laser current during the
  • Emitting Laser Diode with an Integrated photo-diode in Proc. LEOS 1995, pp. 416 - 417, October 1995, by SF Lim et al.:” Intracavity Quantum-Well Photodetection of a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser "in ' Proc. Int. SC -Laser Conf. October 1996, Haif / Israel, pp. 183 - 184, and - by JA Lott et al.: "Deep Red Vertical Cavity Surface Emitting Lasers With Monolithically Integrated Heterojunction Phototransistors For Output Power Control "" in Proc. Int. SC Laser Conf. October 1996, Haifa / Israel, pp. 185-186. Further sources are patents US 5,757,837, US 5,742,630, US 5,577,064, US 5,606,572 and US 5,136,603.
  • the published laser structures with integrated photodetectors do not meet all of the following minimum conditions: easy to manufacture without loss of yield on the wafer, good contrast to spontaneous emission and ambient light in order to be able to determine both the laser threshold and the differential efficiency, little or no additional Requirements for the voltage to be applied for the overall system, reproducible and frequency-independent feedback properties and only slight changes in the optical and electrical properties over long operating times (deterioration).
  • Photodetectors in the semiconductor resonator are practically not sensitive to ambient light or stray light. Since the detector properties of these photodetectors are based primarily on the properties of the epitaxial layer growth, a good yield of functional components can also be achieved in the case of production with large tolerances. In order to produce components whose photodetectors provide a good contrast against spontaneous emission, one can either reduce the active detector area to a size of the laser spot, but this poses additional technical problems and thus reduces the yield (IY Han, YH Lee: "Oxide-apertured photodetector integrated on VCSEL "in Proc. CLEO 99, p. 176); or the sensitivity to the coherent light compared to the spontaneous emission can be increased by a thin absorbing area on an antinode of the standing wave. By reducing the distance of this thin absorbent area from the active area, the contrast against spontaneous
  • Emission can be increased further. However, this also increases the absorption of the laser radiation, so that the differenti haste efficiency is reduced, which leads to very high sensitivity of the detector of about 1A / W.
  • Another problem lies in avoiding higher laser impedances in an integrated component compared to a single VCSEL and thus avoiding difficulties when using a driver circuit for high-frequency modulation of the laser current.
  • electrical crosstalk between the laser and the detector must be minimized if unchanged RF components of the monitor signal are used, e.g. when adjusting DC bias and modulation depth.
  • the object of the present invention is to provide an improved VCSEL with a monolithically integrated photodetector which is simple to manufacture and has a sufficiently low laser impedance, low crosstalk and good contrast against spontaneous emission.
  • the component according to the invention is a VCSEL with a photodetector which is integrated in one of the DBR gratings provided as a resonator mirror, so that no mechanical adjustment of an external monitor diode is required.
  • the coherent radiation generated in the resonator is emitted on the surface of the component.
  • the photodetector in one of the DBR reflectors comprises a thin absorbing layer which is arranged in the region of an antinode of the standing wave of a laser mode.
  • the energy band edge of the material in the thin absorbent area is selected to be slightly lower than the energy which corresponds to the frequency of the emitted radiation in order to avoid a reproducible speak to prevent the detector, but without absorbing the low energy portion of the spontaneous emission.
  • Laser and photodetector are electrically controlled via a common electrode, preferably an n-contact.
  • This contact is located on a spacer layer which is doped in an n-conducting manner with a sufficient dopant concentration in order to ensure a low ohmic resistance within the layer and also to ensure good ohmic metal-semiconductor contact.
  • This spacer layer ensures low laser impedance and low electrical crosstalk between the laser and the photodetector.
  • This spacer layer or a further layer between the laser-active region and the photodetector is preferably selected such that the coherent light passes through this layer, but the portion of high energy of the spontaneous emission is absorbed, so that a low-pass filter is used for the spontaneous emission is formed.
  • a band-pass filter is thus formed overall, whose pass band lies around the laser radiation frequency and thus further increases the contrast against spontaneous emission.
  • FIG. 1 shows a cross section through an exemplary embodiment of the component.
  • Figure 2 shows a further embodiment.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for the component structures shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 shows a diagram for a field distribution around the spacer layer.
  • FIG. 5 shows an energy band diagram of a special embodiment.
  • FIG. 1 shows a cross section of a preferred embodiment of the component according to the invention with a photodetector between a substrate and the radiation-generating active region
  • FIG. 2 shows a corresponding one
  • Cross section for a component shows, in which the photodetector is arranged on the side of the active region facing away from the substrate.
  • a substrate 12 which is preferably p-doped with a rear-side contact 10 one above the other there is a first portion 15 of a lower first DBR grating doped in this example, an intrinsically conductive region 20 of the photodetector a thin absorption layer 25 arranged therein, a spacer layer 30, which is doped here in a highly n-type manner, an n-type doped second portion 40 of the first DBR grating, a laser-active region 45 with an active layer 47 and a p-doped top second DBR grating.
  • the active region 45, 47 is preferably designed as a SCH (Separate Confinement Heterostructure).
  • SCH Separatate Confinement Heterostructure
  • the absorption edge of the energy band in the absorbing layer 25 is chosen to be slightly lower than the energy of the coherent light of the laser mode generated. In this way, the radiation of the laser mode can be reliably detected without simultaneously recording the proportion of low energy in the spontaneous emission.
  • the absorption edge can be selected at around 1450 meV.
  • the thin absorption layer is typically about 7 nm thick and is designed as an InGaAs potential well with an indium content of a few percent. The influence of excitons and the temperature must be taken into account when determining the correct absorption edge.
  • the absorption edge can be measured, for example, by means of transmission spectroscopy. The smaller the difference between the effective energy band gap and the energy of the laser radiation, the smaller the proportion of the absorbed spontaneous emission in the upper energy range and the better the contrast against the spontaneous emission.
  • the spacer layer 30 preferably has a thickness of several wavelengths of the laser radiation and is preferably arranged directly above the intrinsically conductive region 20 of the photodetector.
  • the effective energy band gap of the spacer layer 30 is chosen such that it does not absorb the coherent radiation of the laser mode, but does absorb the high energy portion of the spontaneous emission.
  • An upper annular p-contact 55 completes the device.
  • a translucent upper contact can also be applied, which then covers the entire light exit surface.
  • light exit down through the substrate 12 can also be provided.
  • the substrate is then correspondingly formed from a semiconductor material that is transparent to the emission wavelength.
  • other laser wavelengths for example 980 nm or 1300 nm, are also possible with a correspondingly selected semiconductor material of the thin absorption layer of the photodetector. This material is slightly different from the material of the active layer because a slightly lower energy band gap is required in the absorbent layer than in the active layer.
  • the signs of the doping (n-type or p-type) can be interchanged.
  • ⁇ 0 rr ⁇ ⁇ ⁇ - 03 O l- 1 P ) 2 2 ⁇ ⁇ - et ⁇ - H i ⁇ ⁇ 2 ⁇ - HP ⁇ rt JD ii i I d H- TJ tr ⁇ ! ⁇ ⁇ tr (Jl ⁇ ⁇ 3 2 ⁇ ⁇ rt> -ü _ ii t?
  • 03 d 2 ⁇ rt ⁇ ⁇ d 03 H 3 ii H JD ii H 3 N • rt 2 1 * Ü ⁇ ü m rt P.
  • Dry etching processes are preferably used for the production.
  • the n-contact 35 applied on the spacer layer 30 need not be an annular contact. Because of the low ohmic resistance of the sufficiently highly n-doped spacer layer 30, an asymmetrical lateral charge carrier injection is also possible without deterioration of the laser properties.
  • the contact 35 can therefore be applied on a lateral upper side of the spacer layer 30 outside the area of the mesa with the photodetector. Then the lower part of the structure with the laser-active region can also be designed as a mesa with dimensions that are almost as small as the dimensions of the photodetector region.
  • the remaining properties of the exemplary embodiments described can be designed in accordance with conventional VCSELs.
  • Gold-metal alloys are preferred contact materials. Before the metal is applied to the top of the semiconductor, any oxides that may be present are removed.
  • inhomogeneities in the etching depth must also be taken into account. These inhomogeneities vary with the material system used and the type of etching process (dry etching, wet etching), but mainly depend on the uniformity of the epitaxially grown layers. In the case of AlGaAs and sulfuric acid and hydrogen peroxide in aqueous solution as a wet chemical etching solution, typical inhomogeneities deviate from
  • the component is therefore provided with a thick, homogeneous and highly n-doped semiconductor layer as a spacer layer 30. With this thick spacer layer 30, tolerances of the etching depth are acceptable; the layer also serves as a common low-resistance contact layer for laser and photodetector.
  • An n-doped spacer layer adjacent to the photodetector as in the component according to the invention has various advantages.
  • Parasitic light absorption by free charge carriers is usually lower in n-type doped semiconductor material than in p-type doped (at least for the majority of commonly used semiconductor materials).
  • the optical absorption in p-doped material is approximately a factor of 2.5 to 3 higher than in n-doped material of the same dopant concentration.
  • Another advantage of using an n-doped spacer layer adjacent to the photodetector is the correspondingly lower ohmic resistance that is achieved with n-type semiconductor material compared to p-type material.
  • the DBR grating is placed on a p + substrate, preferably using a Buffer layer that is made at low temperature grew.
  • a conventional npn bipolar phototransistor based on floating potential and graded energy band gap (HBPT) can be used as the photodetector, with an additional voltage being applied to the photodetector.
  • This component can be grown on an n-type substrate.
  • a double diode structure with a common anode (npn) or a common tunnel contact (npp + n + np) can also be used as a detector, the two photodiodes having different absorption properties for compensation purposes.
  • An internal or external superimposition of the photocurrents thus makes it possible to increase the contrast ratio if the detecting layer (25) of the first photodiode and the detecting layer of the second photodiode lies in the oscillation node of the standing wave and both photocurrents are subtracted from one another.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for a basic structure of the component according to the invention with an integrated pin photodetector corresponding to FIG. 1 or 2.
  • the upper part of this diagram in FIG. 3 corresponds to the intrinsic laser impedance, which is determined primarily by the ohmic laser resistance R A when the laser is operating in parallel with the effective laser capacitance C.
  • the lower part of the diagram shows the capacitance C D of the photodetector parallel to the current source i D for the photocurrent.
  • the common n-contact has a series resistance R ⁇ , which is determined by the lateral ohmic resistance in the thick n-doped spacer layer 30.
  • the total laser impedance (R L + R A ) / (C L + R T ) is a very important variable that is parallel to the capacities of a driver circuit or a modular one Construction occurs and should be as small as possible to allow the use of inexpensive laser driver circuits.
  • the relationship R T (C L + R ⁇ ) / (R__ + R A ) reflects the portion of the laser modulation voltage (parasitic AC voltage at node 110) that is also parasitically applied to the photodetector. If a photodetector with a strongly voltage-dependent sensitivity is used, such as a phototransistor, a small value R T and high applied photodetector voltages are preferred.
  • ⁇ coup R T C D.
  • f 1 / (2 ⁇ ⁇ coup )
  • approximately half of the parasitic AC voltage at node 110 is coupled into the resistor R D + R M via the photodetector capacitance, to be precise superimposed on the photocurrent signal.
  • ⁇ D the voltage drop caused by the photocurrent through the resistors R D + R must still be large compared to said parasitic AC voltage in order to minimize crosstalk. Therefore, the lateral resistance R T for generating good modulation properties of the laser and good high-frequency properties of the photodetector signal should be as low as possible, even if a high-quality pin photodiode is used as the photodetector.
  • the optical thickness of the photodetector area including the thick spacer layer in comparison to the laser wavelength is also an important parameter. It determines whether the
  • Photodetector in the resonator resonantly influences the laser intensity or not.
  • Any photodetector can have a thin absorption layer at a specific location within the standing wave pattern of coherent light.
  • a first improvement in the detection sensitivity can be achieved by only detecting the maximum of the intensity distribution. This reinforcement can be achieved by means of ⁇ u> t DO ⁇ 1
  • the pin photodetector comprises a p-doped region 125, an intrinsically conductive doped layer 130, with which the photodetector capacity is reduced, and an n-doped layer 150.
  • the absorbing layer 41 is highly n-type doped and embedded in highly n-type layers 135 and 145 in order to reduce the optical absorption. For example, in order to reduce the optical absorption by more than a factor of 3, a dopant concentration of more than 2xl0 18 cm "3 in InGaAs potential pots with an indium content of a few percent is required.
  • the adjacent highly doped layers have an energy band grading which leads to a reduction in the energy band gap and thus in the direction to the intrinsically doped layer 130 to a reduction 5 leads to the difference between the valence band and the Fermi level
  • asymmetrical barriers can be used for the thin absorbent layer 140, with a lower barrier height towards the layer 135, as shown in FIG.
  • Another possibility is to change the electron density in the thin absorbent layer 140 by applying a photodetector voltage such that the depletion zone extends into the absorbent layer. In this way, the degree of absorption can be modulated by the applied voltage.
  • the modulation depth and the DC bias can be changed by suitably adapting the dopant concentration and the thickness of layer 135 and layer 130.

Abstract

VCSEL mit einer aktiven Schicht (47), mit einem Photodetektor (20, 25) in einem der DBR-Gitter (15; 40, 50) und mit einer strahlungsabsorbierenden Schicht (25), die in einem Schwingungsbauch einer Lasermode angeordnet ist. Laser und Photodetektor werden über einen gemeinsamen Kontakt (35) auf einer dicken, hoch dotierten Spacer-Schicht (30) elektrisch angesteuert, die für niedrige Laserimpedanz und geringes elektrisches Übersprechen zwischen Laser und Photodetektor sorgt.

Description

Beschreibung
VCSEL mit monolithisch integriertem Photodetektor
Die vorliegende Erfindung betrifft VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) mit einem Photodetektor, der monolithisch in dem Resonator zwischen den Resonatorendspiegeln (DBR-Gitter) integriert ist, für optische Übertragungsstrek- ken für hohe Datenraten.
Die elektrischen und optischen Eigenschaften, wie z.B. Schwellenstrom und differentieller Wirkungsgrad, variieren bei Laserdioden von Bauelement zu Bauelement. Die Eigenschaften jedes Bauelementes hängen von der Temperatur ab und sind lang- und kurzzeitigen Schwankungen unterworfen. Deshalb ist es erforderlich, über ein elektrisches Rückkoppelsignal zu verfügen, das direkte Informationen über die tatsächliche optische Ausgangsleistung des Lasers liefert und verwendet werden kann, um sowohl die Gleichstromvorspannung (bias) als auch die Modulationstiefe des Laserstromes auch während der
Übertragung nachzuregeln. Die mit dem Aufbau einer Vorrichtung zur Einkopplung eines zwar geringen, aber doch bestimmten Anteils der Laserstrahlung in einen externen Photodetektor verbundenen Kosten führten zu der Entwicklung mono- lithisch integrierter Bauelemente.
Eine Reihe von VCSEL-Strukturen mit monolithisch integrierten Photodetektoren in den als Reflektor fungierenden Bragg- Gittern sind beschrieben in den Veröffentlichungen von T. Kim et al . : "A Single Transverse Mode Operation of Top Surface
Emitting Laser Diode with a Integrated photo-diode" in Proc . LEOS 1995, S. 416 - 417, Oktober 1995, von S. F. Lim et al . : "Intracavity Quantum-Well Photodetection of a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser" in 'Proc. Int. S.C. -Laser Conf . Okto- ber 1996, Haif /Israel, S. 183 - 184, and -von J. A. Lott et al . : "Deep Red Vertical Cavity Surface Emitting Lasers With Monolithically Integrated Heterojunction Phototransistors For Output Power Control"" in Proc. Int. S.C. -Laser Conf . Oktober 1996, Haifa/Israel, S. 185 - 186. Weitere Quellen sind die Patente US 5,757,837, US 5,742,630, US 5,577,064, US 5,606,572 und US 5,136,603.
Die veröffentlichten Laserstrukturen mit integrierten Photodetektoren erfüllen nicht alle der folgenden Mindestbedingungen: einfache Herstellbarkeit ohne Ausbeuteverlust auf dem Wafer, guter Kontrast gegenüber spontaner Emission und Umge- bungslicht, um sowohl die Laserschwelle als auch den diffe- rentiellen Wirkungsgrad feststellen zu können, geringe oder keine zusätzlichen Anforderungen an die anzulegende Spannung für das Gesamtsystem, reproduzierbare und frequenzunabhängige Rückkoppeleigenschaften und nur geringe Änderung der opti- sehen und elektrischen Eigenschaften über lange Betriebszeiten (Deterioration) .
Photodetektoren in dem Halbleiterresonator sind praktisch nicht empfindlich gegen Umgebungslicht oder Streulicht. Da die Detektoreigenschaften dieser Photodetektoren vorwiegend auf den Eigenschaften des epitaktischen Schichtwachstums beruhen, kann eine gute Ausbeute funktionsfähiger Bauelemente auch bei einer Fertigung mit großen Toleranzen erzielt werden. Um Bauelemente herzustellen, deren Photodetektoren einen guten Kontrast gegen spontane Emission liefern, kann man entweder den aktiven Detektorbereich auf eine Größe des Laserflecks reduzieren, was aber zusätzliche technische Probleme aufwirft und damit die Ausbeute reduziert (I. Y. Han, Y. H. Lee: "Oxide-apertured photodetector integrated on VCSEL" in Proc. CLEO 99, S. 176); oder die Empfindlichkeit gegenüber dem kohärenten Licht im Vergleich zur spontanen Emission kann durch einen dünnen absorbierenden Bereich an einem Schwingungsbauch der stehenden Welle erhöht werden. Indem man den Abstand dieses dünnen absorbierenden Bereiches von dem akti- ven Bereich verringert, kann der Kontrast gegen spontane
Emission weiter erhöht werden. Damit wird allerdings auch die Absorption der Laserstrahlung erhöht, so dass der differenti- eile Wirkungsgrad herabgesetzt wird, was zu sehr hohen Empfindlichkeiten des Detektors von etwa 1A/W führt.
Ein anderes Problem liegt darin, in einem integrierten Bau- element höhere Laserimpedanzen im Vergleich zu einem einzelnen VCSEL und damit Schwierigkeiten bei Verwendung einer Treiberschaltung für hochfrequente Modulation des Laserstromes zu vermeiden. Außerdem muss elektrisches Übersprechen zwischen Laser und Detektor minimiert werden, falls unverän- derte HF-Komponenten des Monitorsignales gebraucht werden, z.B. beim Justieren von Gleichstromvorspannung und Modulationstiefe .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten VCSEL mit monolithisch integriertem Photodetektor anzugeben, der einfach herstellbar ist und eine ausreichend niedrige Laserimpedanz, niedriges Übersprechen und guten Kontrast gegen spontane Emission besitzt.
Diese Aufgabe wird mit dem optoelektronischen Bauelement mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Bauelement ist ein VCSEL mit einem Pho- todetektor, der in einem der als Resonatorspiegel vorgesehenen DBR-Gitter integriert ist, so dass keine mechanische Ju- stage einer externen Monitordiode erforderlich ist. Zwischen den DBR-Reflektoren befindet sich ein aktiver Bereich, der für Strahlungserzeugung vorgesehen ist . Die in dem Resonator erzeugte kohärente Strahlung wird an der Oberfläche des Bauelementes emittiert . Der Photodetektor in einem der DBR- Reflektoren umfaßt eine dünne absorbierende Schicht, die im Bereich eines Schwingungsbauches der stehenden Welle einer Lasermode angeordnet ist. Die Energiebandkante des Materials in dem dünnen absorbierenden Bereiches ist geringfügig niedriger gewählt als die Energie, die der Frequenz der emittierten Strahlung entspricht, um ein nicht reproduzierbares An- sprechen des Detektors zu verhindern, ohne jedoch den Anteil niedriger Energie der spontanen Emission zu absorbieren.
Laser und Photodetektor werden über eine gemeinsame Elektro- de, vorzugsweise ein n-Kontakt, elektrisch angesteuert. Dieser Kontakt befindet sich auf einer Spacer-Schicht, die n- leitend dotiert ist mit einer ausreichenden Dotierstoffkonzentration, um einen niedrigen ohmschen Widerstand innerhalb der Schicht zu gewährleisten und auch für einen guten ohm- sehen Metall-Halbleiter-Kontakt zu sorgen. Diese Spacer- Schicht sorgt für niedrige Laserimpedanz und geringes elektrisches Übersprechen zwischen Laser und Photodetektor.
Vorzugsweise wird diese Spacer-Schicht oder eine weitere Schicht zwischen dem laseraktiven Bereich und dem Photodetektor so gewählt, dass das kohärente Licht durch diese Schicht hindurch tritt, aber der Anteil hoher Energie der spontanen Emission absorbiert wird, so dass damit für die spontane Emission ein Tiefpassfilter gebildet ist. Zusammen mit der Eigenschaft des dünnen absorbierenden Bereiches, einen Hochpassfilter zu bilden, ist so insgesamt ein Bandpassfilter gebildet, dessen Durchlassbereich um die Laserstrahlungsfrequenz herum liegt und so den Kontrast gegen spontane Emission weiter erhöht .
Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfindungsgemäßen Bauelementes anhand der Figuren 1 bis 5.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbei- spiel des Bauelementes.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel .
Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für die in den Figuren 1 und 2 dargestellten BauelementStrukturen. Figur 4 zeigt ein Diagramm für eine Feldverteilung um die Spacer-Schicht .
Figur 5 zeigt ein Energiebanddiagramm einer speziellen Aus- führungsform.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes mit einem Photodetektor zwischen einem Substrat und dem strahlungserzeugen- den aktiven Bereich, während Figur 2 einen entsprechenden
Querschnitt für ein Bauelement zeigt, bei dem der Photodetektor auf der von dem Substrat abgewandten Seite des aktiven Bereiches angeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 befinden sich auf einem vorzugsweise p-leitend do- tierten Substrat 12 mit einem Rückseitenkontakt 10 übereinander ein in diesem Beispiel p-leitend dotierter erster Anteil 15 eines unteren ersten DBR-Gitters, ein intrinsisch leitender Bereich 20 des Photodetektors mit einer darin angeordneten dünnen Absorptionsschicht 25, eine Spacer- Schicht 30, die hier hoch n-leitend dotiert ist, ein n-lei- tend dotierter zweiter Anteil 40 des ersten DBR-Gitters, ein laseraktiver Bereich 45 mit einer darin ausgebildeten aktiven Schicht 47 und ein p-leitend dotiertes oberes zweites DBR- Gitter. Der aktive Bereich 45, 47 ist vorzugsweise als SCH (Separate Confinement Heterostructure) ausgebildet. Auf der Spacer-Schicht 30 befindet sich in diesem Beispiel ein ringförmiger Kontakt 35, der rings um eine Mesa aus Halbleitermaterial angeordnet ist, in der sich der obere Anteil 40 des ersten DBR-Gitters, der aktive Bereich 45, 47 und das zweite DBR-Gitter 50 befinden.
Die Absorptionskante des Energiebandes ist in der absorbierenden Schicht 25 geringfügig niedriger gewählt als die Energie des kohärenten Lichtes der erzeugten Lasermode . Auf diese Weise kann die Strahlung der Lasermode sicher detektiert werden, ohne gleichzeitig den Anteil niedriger Energie in der spontanen Emission zu erfassen. Für eine Laserenergie von z.B. 1460 meV kann die Absorptionskante bei etwa 1450 meV gewählt werden. In diesem Beispiel ist die dünne Absorptionsschicht typisch etwa 7 nm dick und als InGaAs-Potentialtopf mit einem Indiumgehalt von wenigen Prozent ausgebildet. Bei der Festlegung der richtigen Absorptionskante sind der Einfluß von Excitonen und der Temperatur zu berücksichtigen. Die Absorptionskante kann z.B. mittels Transmissionsspektroskopie gemessen werden. Je geringer der Unterschied zwischen der effektiven Energiebandlücke und der Energie der Laserstrahlung ist, um so geringer ist der Anteil der absorbierten spontanen Emission im oberen Energiebereich und um so besser ist der Kontrast gegen die spontane Emission.
Die Spacer-Schicht 30 hat vorzugsweise eine Dicke von mehre- ren Wellenlängen der Laserstrahlung und ist vorzugsweise direkt über dem intrinsisch leitenden Bereich 20 des Photodetektors angeordnet. Die effektive Energiebandlücke der Spacer-Schicht 30 wird so gewählt, dass sie die kohärente Strahlung der Lasermode nicht absorbiert, aber den Anteil ho- her Energie der spontanen Emission absorbiert.
Ein oberer ringförmiger p-Kontakt 55 vervollständigt das Bauelement. Grundsätzlich kann auch ein lichtdurchlässiger oberer Kontakt aufgebracht sein, der dann die gesamte Licht- austrittsflache bedeckt. Alternativ kann auch Lichtaustritt nach unten durch das Substrat 12 hindurch vorgesehen sein. Das Substrat ist dann entsprechend aus einem für die Emissionswellenlänge durchlässigen Halbleitermaterial gebildet. Außerdem sind auch andere Laserwellenlängen, z.B. 980 nm oder 1300 nm mit einem entsprechend gewählten Halbleitermaterial der dünnen Absorptionsschicht des Photodetektors möglich. Dieses Material ist geringfügig verschieden von dem Material der aktiven Schicht, weil ein etwas niedrigerer Energiebandabstand in der absorbierenden Schicht erforderlich ist als in der aktiven Schicht. Die Vorzeichen der Dotierung (n- leitend bzw. p-leitend) können vertauscht sein. Die in obiger
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der Mesa des Photodetektors. Für die Herstellung werden bevorzugt Trockenätzverfahren angewendet.
Der auf der Spacer-Schicht 30 aufgebrachte n-Kontakt 35 muß nicht ein ringförmiger Kontakt sein. Wegen des geringen ohm- schen Widerstandes der ausreichend hoch n-leitend dotierten Spacer-Schicht 30 ist auch eine asymmetrische seitliche Ladungsträgerinjektion ohne Verschlechterung der Lasereigenschaften möglich. Der Kontakt 35 kann daher auf einer seitli- chen Oberseite der Spacer-Schicht 30 außerhalb des Bereiches der Mesa mit dem Photodetektor aufgebracht sein. Dann kann der untere Teil der Struktur mit dem laseraktiven Bereich auch als Mesa mit fast ebenso geringen Abmessungen wie die Abmessungen des Photodetektorbereiches ausgebildet sein.
Die übrigen Eigenschaften der beschriebenen Ausführungsbei- spiele können entsprechend herkömmlichen VCSEL ausgebildet sein. Gold-Metall-Legierungen sind bevorzugte Kontaktmaterialien. Bevor das Metall auf die Halbleiteroberseite aufge- bracht wird, wird diese von evtl. vorhandenen Oxiden befreit.
Um gute Metall-Halbleiter-Kontakte zu erreichen auch im Falle stark variierender Mischkristallzusammensetzungen, was z.B. bei den DBR-Gittern der Fall ist, müssen auch Inhomogenitäten der Ätztiefe berücksichtigt werden. Diese Inhomogenitäten va- riieren mit dem Materialsystem, das verwendet wird, und der Art des Ätzprozesses (Trockenätzen, Nassätzen) , hängen aber hauptsächlich von der Gleichmäßigkeit der epitaktisch gewachsenen Schichten ab. Im Fall von AlGaAs und Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid in wäßriger Lösung als naßchemischer Ätz- lösung erreichen typische Inhomogenitäten Abweichungen von
+ 20 nm pro Mikrometer Ätztiefe. Es ist schwierig, gute und stabile ohmsche Kontakte auf Schichten mit hohem oder variierendem Aluminiumgehalt zu erreichen. Erfindungsgemäß wird das Bauelement daher mit einer dicken, homogenen und hoch n- leitend dotierten Halbleiterschicht als Spacer-Schicht 30 versehen. Bei dieser dicken Spacer-Schicht 30 sind Toleranzen der Ätztiefe akzeptabel; außerdem dient die Schicht als ge- meinsame niederohmige Kontaktschicht für Laser und Photodetektor.
Eine n-dotierte Spacer-Schicht angrenzend an den Photodetek- tor wie in dem erfindungsgemäßen Bauelement hat verschiedene Vorteile. Parasitäre Lichtabsorption durch freie Ladungsträger ist üblicherweise in n-leitend dotiertem Halbleitermaterial niedriger als in p-leitend dotiertem (zumindest für die Mehrzahl üblicherweise verwendeter Halbleitermaterialien) . Z. B. ist im Materialsystem von AlGaAs bei 850 nm Wellenlänge die optische Absorption in p-dotiertem Material ungefähr um einen Faktor von 2,5 bis 3 höher als in n-dotiertem Material derselben Dotierstoffkonzentration. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung einer n-dotierten Spacer-Schicht angrenzend an den Photodetektor ist der entsprechend niedrigere ohmsche Widerstand, der mit n-leitendem Halbleitermaterial im Vergleich zu p-leitendem Material erreicht wird. Das liegt an der höheren Beweglichkeit der Elektronen als der Löcher, z.B. um einen Faktor von etwa 20 in AlGaAs. Wenn ein pin-Photodetektor ohne zusätzlichen Tunnelübergang gefordert ist (d.h. ohne p+- n+-Übergang, der sich bei Polung in Gegenrichtung wie ein ohmscher Widerstand verhält) , wird das DBR-Gitter auf ein p+- Substrat, vorzugsweise unter Verwendung einer Pufferschicht, die bei niedriger Temperatur hergestellt wird, aufgewachsen. Statt dessen kann ein konventioneller npn-Bipolarphoto- transistor mit Basis auf floatendem Potential und gradierter Energiebandlücke (HBPT) als Photodetektor verwendet werden, wobei an den Photodetektor eine zusätzliche Spannung angelegt wird. Dieses Bauelement kann auf einem n-Substrat aufgewach- sen werden. Alternativ kann auch eine Doppeldiodenstruktur mit gemeinsamer Anode (npn) oder gemeinsamem Tunnelkontakt (npp+n+np) als Detektor verwendet werden, wobei beide Photodioden zu Kompensationszwecken unterschiedliche Absorptionseigenschaften aufweisen können. So ist durch interne oder ex- terne Überlagerung der Photoströme eine Erhöhung des Kontrastverhältnisses möglich, wenn die detektierende Schicht (25) der ersten Photodiode in einem Schwingungsbauch und die detektierende Schicht der zweiten Photodiode im Schwingungs- knoten der stehenden Welle liegt und beide Photoströme voneinander abgezogen werden.
In Figur 3 ist ein Ersatzschaltbild für eine grundsätzliche Struktur des erfindungsgemäßen Bauelementes mit integriertem pin-Photodetektor entsprechend Figur 1 oder 2 dargestellt. Der obere Teil dieses Diagramms in Figur 3 entspricht der in- trinsischen Laserimpedanz, die in erster Linie durch den ohm- sehen Laserwiderstand RA im Betrieb des Lasers parallel zu der effektiven Laserkapazität C bestimmt wird. Der untere Teil des Diagramms gibt die Kapazität CD des Photodetektors parallel zur Stromquelle iD für den Photostrom wieder. Der gemeinsame n-Kontakt hat einen Reihenwiderstand Rτ, der durch den lateralen ohmschen Widerstand in der dicken n-dotierten Spacer-Schicht 30 bestimmt wird. Wesentliche dynamische Größen sind die RC-Zeitkonstanten τL, τD des Lasers bzw. des Photodetektors. Die letztere wird beeinflusst durch den externen Messwiderstand RM und ist gleich τD = CD (RD + RT + RM) . Bei kleinen vorhandenen Photodetektorbereichen kann eine kleine
Photodetektorkapazität erzielt werden, aber in diesem Fall ist der innere Widerstand RD größer (RD = const/CD) , was einen zusätzlichen parasitären Spannungsabfall verursacht, der die lineare Eigenschaft des Photodetektors bei Betrieb mit klei- nen oder verschwindend geringen Detektorspannungen VD verschlechtern kann.
Die intrinsische RC-Zeitkonstante für den Laser ist gegeben durch τL = RA CL . Abgesehen davon und von anderen intrinsi- sehen Größen, wie z.B. die Laserresonanzfrequenz und die Photonenlebensdauer, ist die Gesamtlaserimpedanz (RL + RA) / (CL + RT) eine sehr wichtige Größe, die parallel zu Kapazitäten einer Treiberschaltung oder eines modularen Auf- baus auftritt und so klein wie möglich sein sollte, um die Verwendung billiger Lasertreiberschaltungen zu ermöglichen. Im Falle niedriger Frequenzen oder verschwindendem CD gibt die Beziehung RT(CL + Rτ) / (R__ + RA) den Anteil der Lasermodulationsspannung wieder (parasitäre WechselSpannung am Knoten 110), der parasitär auch am Photodetektor anliegt. Wenn ein Photodetektor mit einer stark spannungsabhängigen Empfindlichkeit verwendet wird, wie z.B. ein Phototransistor, sind ein kleiner Wert RT und hohe anliegende Photodetektorspannungen zu bevorzugen.
Für elektrisches Übersprechen zwischen dem Laser und dem Photodetektor bei hohen Frequenzen kann eine Kopplungszeitkonstante durch τcoup = RT CD definiert werden. Bei einer Modulationsfrequenz f = 1 / (2π τcoup) wird etwa die Hälfte der parasitären WechselSpannung am Knoten 110 in den Widerstand RD + RM über die Photodetektorkapazität gekoppelt, und zwar dem Photostromsignal überlagert . Um die hochfrequenten Komponenten des Photostromes zu erfassen, wird ein kleiner Wert von τD benötigt. Aber der Spannungsabfall, der durch den Photostrom über die Widerstände RD + R hervorgerufen wird, muß immer noch groß sein im Vergleich zu besagter parasitärer Wechselspannung, um das Übersprechen zu minimieren. Daher soll der laterale Widerstand RT zur Erzeugung guter Modulationseigenschaften des Lasers und guter Hochfrequenzeigenschaften des Photodetektorsignales so gering wie möglich sein, auch wenn als Photodetektor eine pin-Photodiode hoher Qualität verwendet wird.
Die optische Dicke des Photodetektorbereiches einschließlich der dicken Spacer-Schicht im Vergleich zu der Laserwellenlän- ge ist ebenfalls eine wichtige Größe. Sie bestimmt, ob der
Photodetektor in dem Resonator die Laserintensität resonant beeinflusst oder nicht. Ein beliebiger Photodetektor kann eine dünne Absorptionsschicht an einer bestimmten Stelle innerhalb des Musters der stehenden Welle des kohärenten Lichtes aufweisen. Eine erste Verbesserung der Detektionsempfindlich- keit kann erzielt werden, indem nur das Maximum der Intensitätsverteilung erfasst wird. Diese Verstärkung kann mittels ω u> t DO μ1
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des Kontrastes gegen spontane Emission führt. Der pin- Photodetektor umfaßt einen p-dotierten Bereich 125, eine in- trinsisch leitend dotierte Schicht 130, mit der die Photodetektorkapazität vermindert wird, und eine n-dotierte Schicht 150. Im Gegensatz zu herkömmlichen Potentialtopf-pin- Dioden, die an sich bekannt sind, ist hier die absorbierende Schicht 41 hoch n-leitend dotiert und in hoch n-leitend dotierte Schichten 135 und 145 eingebettet, um die optische Absorption zu vermindern. Z.B. ist für eine Reduktion der opti- sehen Absorption um mehr als einen Faktor 3 eine Dotierstoffkonzentration von mehr als 2xl018 cm"3 in InGaAs-Potential- töpfen mit einem Indiumgehalt von wenigen Prozent erforderlich. Der Photostrom muss aus der hoch dotierten Zone geleitet werden, um zu vermeiden, dass die Löcher 137 mit den Elektronen 147 rekombinieren. In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes haben die angrenzenden hoch dotierten Schichten ein Energiebandgrading, das zu einer Reduktion der Energiebandlücke und damit in der Richtung zu der intrinsisch dotierten Schicht 130 zu einer Reduktion der Dif- ferenz zwischen dem Valenzband und dem Fermi-Niveau führt. Zusätzlich können asymmetrische Barrieren für die dünne absorbierende Schicht 140 verwendet werden, und zwar mit einer niedrigeren Barrierenhöhe in Richtung zur Schicht 135, wie in der Figur 5 dargestellt .
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Elektronendichte in der dünnen absorbierenden Schicht 140 dadurch zu ändern, dass eine Photodetektorspannung angelegt wird in der Weise, dass die Verarmungszone in die absorbierende Schicht hinein reicht. Auf diese Weise kann der Absorptionsgrad durch die angelegte Spannung moduliert werden. Mittels geeigneter Anpassung der Dotierstoffkonzentration und der Dicke der Schicht 135 sowie der Schicht 130 können die Modulationstiefe und die DC-Vorspannung geändert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement als VCSEL mit einer für Strahlungserzeugung vorgesehenen aktiven Schicht (47) zwi- sehen DBR-Gittern (15; 40, 50) als Reflektoren und einem mit einer Strahlungsabsorbierenden Schicht (25) versehenen Photo- detektor innerhalb eines der DBR-Gitter, wobei die strah- lungsabsorbierende Schicht (25) so angeordnet ist, dass sie mit einem Schwingungsbauch einer Lasermode der erzeugten Strahlung überlappt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine dicke und hoch dotierte Spacer-Schicht (30) zwischen der aktiven Schicht (47) und der absorbierenden Schicht (25) vorhanden ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Strahlungsabsorbierende Schicht (25) eine Energiebandkante aufweist, die geringfügig niedriger ist als die Photonenenergie der Lasermode .
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Photodetektor (20, 25) und die Spacer-Schicht (30) bezüglich der Lasermode eine nicht-resonante optische Dicke haben, so dass eine elektrische Feldverteilung der Strahlung innerhalb der DBR-Gitter (15; 40, 50) unverändert bleibt .
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Spacer-Schicht (30) eine Energiebandkante auf- weist, die geringfügig höher ist als die Photonenenergie der Lasermode.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Spacer-Schicht (30) hoch n-leitend dotiert ist und mindestens eine Halbleiterschicht an die absorbierende Schicht (25) angrenzt und hoch n-leitend dotiert ist.
6. Bauelement nach Anspruch 5, bei dem mindestens eine an die absorbierende Schicht (25) angrenzende Halbleiterschicht eine Gradierung in der Energiebandlücke aufweist, so dass in einem zu der absorbierenden Schicht benachbarten Bereich die Energiebandlücke in Richtung zu der Spacer-Schicht (30) hin anwächst.
7. Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Strahlungsabsorbierende Schicht (25) innerhalb einer Verarmungsschicht oder nahe an einem n-dotierten Randbereich einer VerarmungsSchicht liegt und
Mittel vorhanden sind, mit denen eine elektrische Spannung angelegt werden kann, um die Absorption in der absorbierenden Schicht (25) zu verändern.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor eine pin-Photodiode ist.
9 . Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor ein Phototransistor aus der Gruppe von bipolarem Phototransistor und heterobipolarem Phototransistor ist.
10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor aus zwei Photodioden besteht, die eine gemeinsame Anode (npn) oder eine gemeinsame Kathode (pnp) aufweisen.
11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Photodetektor aus zwei Photodioden besteht, die einen gemeinsamen Tunnelkontakt (npp+n+np) aufweisen.
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