WO2002027877A1 - Semiconductor laser comprising a transparent contact surface - Google Patents

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WO2002027877A1
WO2002027877A1 PCT/DE2001/003429 DE0103429W WO0227877A1 WO 2002027877 A1 WO2002027877 A1 WO 2002027877A1 DE 0103429 W DE0103429 W DE 0103429W WO 0227877 A1 WO0227877 A1 WO 0227877A1
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contact surface
vcsel
mirror
main surface
layer
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PCT/DE2001/003429
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Tony Albrecht
Josef Hofmann
Ulrich Jacob
Stefan Janes
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Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
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    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
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    • H01S5/04253—Electrodes, e.g. characterised by the structure characterised by the material having specific optical properties, e.g. transparent electrodes

Definitions

  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • the pump current is usually introduced into the semiconductor body via contact areas.
  • the possibility is known here of arranging the contact surface in the form of a ring contact on the main surface of the semiconductor body which is coupled out, the laser radiation being coupled out of the semiconductor body through the ring opening.
  • the pump current is conducted from the ring contact to the active layer.
  • the pump current is concentrated with the aid of a current constriction layer to a small volume of the active layer, hereinafter referred to as "active volume".
  • active volume a small volume of the active layer
  • a size is selected for the inner diameter of the contact ring which corresponds to the diameter of the current constriction layer or the active volume. Since the size of the active volume also defines the extent of the laser radiation field generated, the radiation field and the ring contact opening have approximately the same diameter. This leads to the fact that the ring contact creates the outer areas of the Radiation field shaded to a certain extent and thus reduces the radiation yield.
  • a silver contact with a thickness of 35 nm is described here, for example, which on the one hand has a sufficiently high reflectivity as a resonator mirror and on the other hand has a sufficiently high degree of coupling-out or transmission coefficient. Since a metal mirror absorbs part of the radiation, significant transmission losses occur on a partially transparent metal mirror. In the example shown in US 5,068,868, transmission and absorption are of approximately the same size.
  • the object of the invention is to create a VCSEL with increased radiation yield. This object is achieved by a VCSEL according to claim 1.
  • Advantageous developments of the invention are the subject of dependent claims 2 to 12.
  • a semiconductor body with a first and a second main surface, the first main surface being provided with a first contact surface and the second main surface being provided with a second contact surface, and the radiation generated during operation is at least partially coupled out through the second main surface.
  • an active layer is formed in the semiconductor body and arranged between a first and a second mirror.
  • the two mirrors limit the laser resonator, in which a radiation field is generated or amplified in operation by stimulated emission in the active layer.
  • Part of the radiation field is through the second mirror, the is arranged on the side of the active layer facing the second main surface, is coupled out of the laser resonator.
  • the second contact surface arranged on the second main surface is arranged downstream of the second mirror in the emission direction and is transparent or semi-transparent to the radiation generated.
  • a semitransparent contact area is understood to mean a contact area which transmits at least part of the incident steel.
  • the radiation generated can advantageously be coupled out through the second contact surface.
  • the VCSEL formed in this way ensures an efficient supply of the pump current into the active volume.
  • Another advantage of the invention is that the characteristic of the laser resonator itself is largely independent of the properties of the transparent contact surface, since the second contact surface is arranged after the second mirror and can therefore be optimized with regard to transparency and power supply.
  • the second contact surface is preferably designed as a thin metal layer.
  • the layer thickness is chosen so small that the contact area for the radiation generated is semi-transparent. With regard to this transparency, the smallest possible layer thickness is advantageous. The optimum layer thickness results from this with the additional requirement that sufficient current transport is ensured, that is to say the electrical resistance (series resistance) formed by the contact surface is sufficiently low. Furthermore, the contact surface thickness should be selected so that the contact surface can be produced reproducibly with reasonable technical effort.
  • the layer thickness is typically in a range between 2 nm and 30 nm.
  • the second semitransparent contact surface is ring-shaped.
  • the second contact surface on the coupling-out side is preferably designed as a metal surface which contains a gold-zinc alloy (AuZn) or gold-beryllium alloy (AuBe). These metal connections advantageously also ensure good current introduction with low electrical series resistance of the contact surface and a sufficiently high level of transparency.
  • a second contact surface which essentially consists of an AuZn alloy and has a thickness of 6 nm, is particularly preferred.
  • the second contact surface on the coupling-out side can be designed as a so-called conductive glass layer, which in particular contains indium oxide, tin oxide or indium tin oxide (ITO, indium tin oxide).
  • ITO indium tin oxide
  • the compounds mentioned are frequently used as contact material in the semiconductor industry and can therefore be processed without any special outlay in the production of the invention.
  • An advantageous embodiment of the invention consists in forming the second contact surface in a ring shape, the inner edge region of the second contact surface overlapping with the active volume in an axial projection.
  • the pump current is supplied directly to the active volume largely parallel to the resonator axis. This advantageously ensures a particularly efficient direct current transport into the active volume and at the same time a high radiation yield, since the second contact surface and thus also the one with the active volume overlapping area of the second contact surface is transparent or semi-transparent.
  • an annular current constriction layer is arranged between the second main surface and the active layer.
  • the pump current is thus advantageously concentrated in the center of the active layer and thus a high pump current density or a low pump threshold of the VCSEL is achieved.
  • the current constriction layer preferably borders on the second main surface of the semiconductor body. This allows a simple production of the current constriction layer, for example by ion implantation, and a compact structure of the VCSEL.
  • the second contact surface arranged on the second main surface can be arranged at least partially within the aperture of the current constriction layer with particular advantage, since the second contact surface is transparent or semitransparent for the radiation generated and therefore radiation can be coupled out through the second contact surface ,
  • the contact area is preferably also formed in a ring shape, the aperture of the contact area being smaller than the aperture of the current constriction layer.
  • FIG. 1 shows a sectional illustration of the exemplary embodiment of a VCSEL according to the invention
  • FIG. 2 shows the dependence of the transmission coefficient and the electrical series resistance of the second contact surface as a function of the contact surface thickness
  • FIG. 3 shows the optical output power of the exemplary embodiment in continuous operation as a function of the pump current in comparison to a VCSEL according to the prior art
  • FIG. 4 shows the optical output power of the exemplary embodiment in pulsed operation as a function of the pump current in comparison to a VCSEL according to the prior art.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 1 has a semiconductor body 1 with a first and a second main surface, the first main surface being provided with a first contact surface 2 and the second main surface being provided with a second contact surface 3. Furthermore, an active layer 4 is formed in the semiconductor body 1 and is arranged between a first mirror 5 and a second mirror 6. In the manner of a Bragg mirror, the mirrors contain a plurality of layers with alternating high and low refractive index.
  • the mirrors 5 and 6 form the resonator of the VCSEL, the mirror 6 on the side of the second main surface and the second contact surface 3 respectively representing the coupling-out mirror of the resonator.
  • annular current constriction layer 7 with an electrically conductive center and a non-conductive, annular outer region is arranged between the coupling-out contact surface 3 and the active layer 4. In operation, this current constriction layer 7 concentrates the pump current in the center of the active layer 4, in which the active layer is thus
  • Volume 8 forms. Due to this current concentration a high pump current density in the active layer 4 or correspondingly a low threshold current of the VCSEL is reached.
  • the coupling-out second contact surface 3 is formed as a thin, ring-shaped metal layer made of an AuZn alloy with a thickness of 6 nm and has a transmission of approximately 50% at the emission wavelength of the laser in the range of 900 nm.
  • the ring opening has a diameter of 15 microns, the current constriction layer an inner diameter of 19 microns, so that the contact surface 3 and the aperture of the
  • this overlap ensures an efficient introduction of the pump current from the contact surface 3 through the inner region of the constriction layer 7 into the active volume 8. Since the contact surface 3 is semitransparent, the laser radiation generated in the edge regions of the active volume 8 is also partially coupled out and so increases the radiation yield of the VCSEL.
  • FIG. 2 shows the transmission 9 of the second contact surface 3 and its electrical series resistance 10 as a function of the contact surface thickness.
  • Three measuring points for the contact thicknesses of 3 nm, 6 nm and 12 nm are plotted. The solid lines between the measuring points are only for illustration purposes.
  • the transmission coefficient 9 decreases substantially linearly with decreasing thickness, so that the smallest possible layer thickness is therefore advantageous in order to increase the radiation yield.
  • the electrical resistance 10, on the other hand hardly varies for layer thicknesses between 12 nm and 6 nm, but rises sharply with smaller layer thicknesses. The electrical power loss increases accordingly. From these two conditions together, there is an optimal layer thickness in the range of 6 nm for AuZn contacts. For other materials, the optimal layer thickness can easily be determined in an analogous manner.
  • a thin metal layer as a semitransparent contact surface 3
  • a conductive layer which, due to its composition and the resulting spectral properties, is transparent to the radiation generated.
  • Conductive glasses containing tin oxide, indium oxide or ITO are suitable for this. These materials are largely transparent in the visible and near-infrared spectral range and are characterized by good electrical conductivity.
  • FIG. 3 shows the optical output power 11 of the exemplary embodiment in continuous operation against the pump current in comparison with the output power 12 of a VCSEL according to the prior art with a comparable structure.
  • Both VCSELs have an annular current constriction layer 7 with an inner radius of 15 ⁇ m and an annular contact surface which, as stated above, overlaps the aperture of the current constriction layer 7 on a 2 ⁇ m wide ring area.
  • the contact area corresponding to the second contact area 3 is designed as a radiation-absorbing or reflecting contact area, which essentially consists of a chromium-platinum-gold alloy.
  • the threshold current for both VCSELs is approximately 3.5 mA. Up to a pump current of 6 mA, both VCSELs have approximately the same continuous output power. For larger currents, the optical output power 11 in the invention is significantly larger than in the VCSEL according to the prior art and exceeds the latter by more than 40%.
  • This behavior of the VCSEL is due to the fact that only the basic mode oscillates up to a pump current of about 6 mA in the laser resonator in the area of the laser threshold.
  • the electromagnetic field of this approximately Gaussian mode is strongly concentrated on the center of the resonator, so that shading in the edge regions of the resonator or its reduction only slightly changes the output power.
  • the invention brings about a significant increase in the radiation yield, since the formation of a semitransparent coupling-out contact surface 3 reduces shading, in particular in the area of the field maxima of higher modes.
  • FIG. 4 shows the output power 13 of the exemplary embodiment in comparison with the output power 14 of a VCSEL according to the prior art in pulsed operation. As in FIG. 3, both VCSELs have approximately the same threshold current, which is 6 A in pulsed operation.
  • both VCSELs show a similar dependency of the output power on the pump current.
  • the output power 13 of the exemplary embodiment according to the invention is significantly greater than the output power 14 of the VCSEL according to the prior art and exceeds the latter by a maximum of about a factor of 2.8.
  • GaAs or InP-based systems in particular InGaAlAs, InGaN, InGaAsP or InGaAlP, can be used as semiconductor materials.

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Abstract

The invention relates to a VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) comprising a semiconductor body (1) and a first and second main surface, whereby a first contact surface (2) is provided on the first main surface and a second contact surface (3) is provided on the second main surface. The inventive VCSEL also comprises an active layer (4) that is arranged between a first mirror (5) and a second mirror (6). The generated radiation is decoupled by the second mirror (6) and the second main surface, whereby the second contact surface (3) formed thereon is located down from the second mirror and is transparent or semi-transparent to the generated radiation. The second contact surface (3) is preferably annular.

Description

Beschreibungdescription
HALBEITER-LASER MIT TRANSPARENTER KONTAKTFLÄSHESEMI-WORK LASER WITH TRANSPARENT CONTACT FLASK
Oberflächenemittierende Laser mit senkrecht stehendem Resonator (VCSEL, vertical cavity surface emitting laser) sind beispielsweise aus IEEE Communications Magazine, May 1997, pp. 164-170 bekannt. Diese Laser beinhalten einen Halbleiterkörper mit einer Strahlungserzeugenden aktiven Schicht und weisen das gemeinsame strukturelle Merkmal auf, daß die Resonatorachse und damit auch die Lichtemission senkrecht zu einer Hauptfläche des Halbleiterkörpers erfolgt .Surface-emitting lasers with a vertical cavity (VCSEL, vertical cavity surface emitting laser) are described, for example, in IEEE Communications Magazine, May 1997, pp. 164-170 known. These lasers contain a semiconductor body with a radiation-generating active layer and have the common structural feature that the resonator axis and thus also the light emission take place perpendicular to a main surface of the semiconductor body.
Der Pumpstrom wird üblicherweise über Kontaktflächen in den Halbleiterkörper eingeleitet. Bekannt ist hierbei die Möglichkeit, auf der auskoppelseitigen Hauptfläche des Halbleiterkörpers die Kontaktfläche in Form eines Ringkontaktes anzuordnen, wobei die Laserstrahlung durch die Ringöffnung hindurch aus dem Halbleiterkδrper ausgekoppelt wird.The pump current is usually introduced into the semiconductor body via contact areas. The possibility is known here of arranging the contact surface in the form of a ring contact on the main surface of the semiconductor body which is coupled out, the laser radiation being coupled out of the semiconductor body through the ring opening.
Von dem Ringkontakt aus wird der Pumpstrom zu der aktiven Schicht geleitet. Um eine hohe Pumpdichte zu erzielen bzw. den Schwellenstrom gering zu halten, wird der Pumpstrom mit Hilfe einer StromeinschnürungsSchicht auf ein kleines Volumen der aktiven Schicht, im folgenden als "aktives Volumen" bezeichnet, konzentriert. In diesem aktiven Volumen findet die Generation und Verstärkung der Laserstrahlung statt.The pump current is conducted from the ring contact to the active layer. In order to achieve a high pump density or to keep the threshold current low, the pump current is concentrated with the aid of a current constriction layer to a small volume of the active layer, hereinafter referred to as "active volume". The generation and amplification of laser radiation takes place in this active volume.
Zur effizienten Einleitung des Pumpstroms in das aktive Volu- men wird für den Innendurchmesser des Kontaktrings eine Größe gewählt, die dem Durchmesser der Stromeinschnürungsschicht bzw. des aktiven Volumens entspricht. Da die Größe des aktiven Volumens auch die Ausdehnung des erzeugten Laserstrahlungsfeldes festlegt, weist das Strahlungsfeld und die Ring- kontaktöffnung etwa denselben Durchmesser auf. Dies führt dazu, daß der Ringkontakt die Außenbereiche des erzeugten Strahlungsfeldes zu einem gewissen Teil abschattet und so die Strahlungsausbeute reduziert .For the efficient introduction of the pump current into the active volume, a size is selected for the inner diameter of the contact ring which corresponds to the diameter of the current constriction layer or the active volume. Since the size of the active volume also defines the extent of the laser radiation field generated, the radiation field and the ring contact opening have approximately the same diameter. This leads to the fact that the ring contact creates the outer areas of the Radiation field shaded to a certain extent and thus reduces the radiation yield.
Aus US 5,068,868 ist weiterhin bekannt, die auskoppelseitige Kontaktfläche eines VCSEL als semitransparente Metallschicht auszubilden, die zugleich als Auskoppelspiegel dient.From US 5,068,868 it is also known to design the coupling-out contact surface of a VCSEL as a semi-transparent metal layer which also serves as a coupling-out mirror.
Beschrieben ist hier beispielsweise ein Silberkontakt mit einer Dicke von 35 nm, der einerseits eine ausreichend hohe Re- flektivität als Resonatorspiegel aufweist und andererseits einen genügend hohen Auskoppelgrad bzw. Transmissionskoeffizienten besitzt. Da ein Metallspiegel einen Teil der Strahlung absorbiert, treten an einem teildurchlässigen Metall- spiegel deutliche Transmissionsverluste auf. Bei dem in US 5,068,868 gezeigten Beispiel sind Transmission und Absorption etwa von gleicher Größe.A silver contact with a thickness of 35 nm is described here, for example, which on the one hand has a sufficiently high reflectivity as a resonator mirror and on the other hand has a sufficiently high degree of coupling-out or transmission coefficient. Since a metal mirror absorbs part of the radiation, significant transmission losses occur on a partially transparent metal mirror. In the example shown in US 5,068,868, transmission and absorption are of approximately the same size.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen VCSEL mit erhöhter Strahlungsausbeute zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch einen VCSEL gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 12.The object of the invention is to create a VCSEL with increased radiation yield. This object is achieved by a VCSEL according to claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of dependent claims 2 to 12.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen Halbleiterkörper mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche auszubilden, wobei die erste Hauptfläche mit einer ersten Kontaktfläche und die zweite Hauptfläche mit einer zweiten Kontaktfläche versehen ist und die im Betrieb erzeugte Strahlung zumindest teilweise durch die zweite Hauptfläche ausgekoppelt wird.According to the invention, it is provided to form a semiconductor body with a first and a second main surface, the first main surface being provided with a first contact surface and the second main surface being provided with a second contact surface, and the radiation generated during operation is at least partially coupled out through the second main surface.
Weiterhin ist in dem Halbleiterkörper eine aktive Schicht gebildet und zwischen einem ersten und einem zweiten Spiegel angeordnet. Die beiden Spiegel begrenzen den Laserresonator, in dem im Betrieb durch stimulierte Emission in der aktiven Schicht ein Strahlungsfeld erzeugt bzw. verstärkt wird. EinFurthermore, an active layer is formed in the semiconductor body and arranged between a first and a second mirror. The two mirrors limit the laser resonator, in which a radiation field is generated or amplified in operation by stimulated emission in the active layer. On
Teil des Strahlungsfeldes wird durch den zweiten Spiegel, der auf der der zweiten Hauptfläche zugewandten Seite der aktiven Schicht angeordnet ist, aus dem Laserresonator ausgekoppelt.Part of the radiation field is through the second mirror, the is arranged on the side of the active layer facing the second main surface, is coupled out of the laser resonator.
Die auf der zweiten Hauptfläche angeordnete zweite Kontakt- fläche ist dem zweiten Spiegel in Emissionsrichtung nachgeordnet und für die erzeugte Strahlung transparent oder semi- transparent ausgebildet . Unter einer semitransparenten Kontaktfläche ist dabei eine Kontaktfläche zu verstehen, die zumindest einen Teil der auftreffenden Stahlung transmittiert .The second contact surface arranged on the second main surface is arranged downstream of the second mirror in the emission direction and is transparent or semi-transparent to the radiation generated. A semitransparent contact area is understood to mean a contact area which transmits at least part of the incident steel.
Mit Vorteil kann die erzeugte Strahlung durch die zweite Kontaktfläche hindurch ausgekoppelt werden kann. Zugleich ist bei dem so gebildeten VCSEL eine effiziente Zuleitung des Pumpstroms in das aktive Volumen gewährleistet.The radiation generated can advantageously be coupled out through the second contact surface. At the same time, the VCSEL formed in this way ensures an efficient supply of the pump current into the active volume.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Charakteristik des Laserresonators selbst weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der transparenten Kontaktfläche ist, da die zweite Kontaktfläche dem zweiten Spiegel nachge- ordnet ist und somit hinsichtlich Transparenz und Stromzuführung optimiert ausgeführt werden kann.Another advantage of the invention is that the characteristic of the laser resonator itself is largely independent of the properties of the transparent contact surface, since the second contact surface is arranged after the second mirror and can therefore be optimized with regard to transparency and power supply.
Bevorzugt ist die zweite Kontaktfläche als dünne Metall- schicht ausgebildet. Die Schichtdicke ist dabei so gering ge- wählt, daß die Kontaktfläche für die erzeugte Strahlung semitransparent ist. Hinsichtlich dieser Transparenz ist eine möglichst geringe Schichtdicke vorteilhaft. Die optimale Schichtdicke ergibt sich daraus mit der zusätzlichen Maßgabe, daß ein ausreichender Stromtransport gewährleistet ist, also der von der Kontaktfläche gebildete elektrische Widerstand (Serienwiderstand) hinreichend gering ist. Ferner ist die Kontaktflächendicke so zu wählen, daß die Kontaktfläche mit vertretbarem technischem Aufwand und reproduzierbar hergestellt werden kann. Typischerweise liegt die Schichtdicke in einem Bereich zwischen 2 nm und 30 nm. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die zweite semitransparente Kontaktfläche ringförmig gebildet. Damit wird die Strahlungsausbeute des VCSEL weiter erhöht, da der VCSEL im Innenbereich der Ringöffnung eine hohe Strahlungsausbeute wie ein VCSEL nach dem Stand der Technik mit Ringkontakt aufweist. Zusätzlich ist auch am Innenrand des Kontaktrings die Abschattung des Strahlungsfeldes vorteilhaft reduziert, da der Ringkontakt transparent oder semitransparent ausgeführt ist.The second contact surface is preferably designed as a thin metal layer. The layer thickness is chosen so small that the contact area for the radiation generated is semi-transparent. With regard to this transparency, the smallest possible layer thickness is advantageous. The optimum layer thickness results from this with the additional requirement that sufficient current transport is ensured, that is to say the electrical resistance (series resistance) formed by the contact surface is sufficiently low. Furthermore, the contact surface thickness should be selected so that the contact surface can be produced reproducibly with reasonable technical effort. The layer thickness is typically in a range between 2 nm and 30 nm. In a preferred development of the invention, the second semitransparent contact surface is ring-shaped. This further increases the radiation yield of the VCSEL, since the VCSEL has a high radiation yield in the interior of the ring opening, like a VCSEL according to the prior art with ring contact. In addition, the shading of the radiation field is also advantageously reduced on the inner edge of the contact ring, since the ring contact is made transparent or semi-transparent.
Bevorzugt ist die auskoppelseitige zweite Kontaktfläche als Metallfläche ausgebildet, die eine Gold-Zink-Legierung (AuZn) oder Gold-Beryllium-Legierung (AuBe) enthält. Diese Metallverbindungen gewährleisten mit Vorteil zugleich eine gute Stromeinleitung bei geringem elektrischem Serienwiderstand der Kontaktfläche und eine ausreichend hohe Transparenz. Besonders bevorzugt ist hierbei eine zweite Kontaktfläche, die im wesentlichen aus einer AuZn-Legierung besteht und eine Dicke von 6 nm aufweist .The second contact surface on the coupling-out side is preferably designed as a metal surface which contains a gold-zinc alloy (AuZn) or gold-beryllium alloy (AuBe). These metal connections advantageously also ensure good current introduction with low electrical series resistance of the contact surface and a sufficiently high level of transparency. A second contact surface, which essentially consists of an AuZn alloy and has a thickness of 6 nm, is particularly preferred.
Alternativ kann die auskoppelseitige zweite Kontaktfläche als sogenannte leitfähige Glasschicht ausgebildet sein, die insbesondere Indiumoxid, Zinnoxid oder Indiumzinnoxid (ITO, in- dium tin oxide) enthält. Die genannten Verbindungen werden häufig in der Halbleiterindustrie als Kontaktmaterial eingesetzt und können daher ohne besonderen Aufwand bei der Herstellung der Erfindung verarbeitet werden.Alternatively, the second contact surface on the coupling-out side can be designed as a so-called conductive glass layer, which in particular contains indium oxide, tin oxide or indium tin oxide (ITO, indium tin oxide). The compounds mentioned are frequently used as contact material in the semiconductor industry and can therefore be processed without any special outlay in the production of the invention.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die zweite Kontaktfläche ringförmig zu bilden, wobei in axialer Projektion der innere Randbereich der zweiten Kontaktfläche mit dem aktiven Volumen überlappt. Dadurch wird der Pumpstrom weitgehend parallel zur Resonatorachse auf direktem Weg dem aktiven Volumen zugeführt. Dies gewährleistet mit Vorteil einen besonders effizienten direkten Stromtransport in das aktive Volumen und zugleich eine hohe Strahlungsaus- beute, da die zweite Kontaktfläche und damit auch der mit dem aktiven Volumen überlappende Bereich der zweiten Kontaktfläche transparent oder semitransparent ausgeführt ist .An advantageous embodiment of the invention consists in forming the second contact surface in a ring shape, the inner edge region of the second contact surface overlapping with the active volume in an axial projection. As a result, the pump current is supplied directly to the active volume largely parallel to the resonator axis. This advantageously ensures a particularly efficient direct current transport into the active volume and at the same time a high radiation yield, since the second contact surface and thus also the one with the active volume overlapping area of the second contact surface is transparent or semi-transparent.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der zweiten Hauptfläche und der aktiven Schicht eine ringförmige Stromeinschnürungsschicht angeordnet. Mit Vorteil wird damit der Pumpstrom im Zentrum der aktiven Schicht konzentriert und so eine hohe Pum stromdichte beziehungsweise eine niedrige Pumpschwelle des VCSELs erreicht.In a preferred development of the invention, an annular current constriction layer is arranged between the second main surface and the active layer. The pump current is thus advantageously concentrated in the center of the active layer and thus a high pump current density or a low pump threshold of the VCSEL is achieved.
Vorzugsweise grenzt die Stromeinschnürungsschicht an die zweite Hauptfläche des Halbleiterkörpers. Dies erlaubt eine einfache Herstellung der Stromeinschnürungsschicht, beispielsweise durch Ionenimplatation, und einen kompakten Auf- bau des VCSELs. Mit besonderem Vorteil kann bei der Erfindung die auf der zweiten Hauptfläche angeordnete zweite Kontaktfläche zumindest teilweise innerhalb der Apertur der Stromeinschnürungsschicht angeordnet sein, da die zweite Kontaktfläche für die erzeugte Strahlung transparent oder semitrans- parent ist und daher eine Strahlungsauskopplung durch die zweite Kontaktfläche hindurch möglich ist.The current constriction layer preferably borders on the second main surface of the semiconductor body. This allows a simple production of the current constriction layer, for example by ion implantation, and a compact structure of the VCSEL. In the case of the invention, the second contact surface arranged on the second main surface can be arranged at least partially within the aperture of the current constriction layer with particular advantage, since the second contact surface is transparent or semitransparent for the radiation generated and therefore radiation can be coupled out through the second contact surface ,
Eine solche Anordnung der zweiten Kontaktfläche gewährleistet eine einfache und effiziente Zuleitung des Pumpstroms in das aktive Volumen. Bevorzugt ist dabei die Kontaktfläche ebenfalls ringförmig gebildet, wobei die Apertur der Kontaktfläche kleiner ist als die Apertur der Stromeinschnürungs- schicht .Such an arrangement of the second contact surface ensures simple and efficient supply of the pump current into the active volume. In this case, the contact area is preferably also formed in a ring shape, the aperture of the contact area being smaller than the aperture of the current constriction layer.
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4.Further features, advantages and expediencies of the invention result from the following description of an exemplary embodiment in connection with FIGS. 1 to 4.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen VCSEL, Figur 2 die Abhängigkeit des Transmissionskoeffizienten und des elektrischen Serienwiderstandes der zweiten Kontaktfläche in Abhängigkeit der Kontaktflächendicke,FIG. 1 shows a sectional illustration of the exemplary embodiment of a VCSEL according to the invention, FIG. 2 shows the dependence of the transmission coefficient and the electrical series resistance of the second contact surface as a function of the contact surface thickness,
Figur 3 die optische Ausgangsleistung des Ausführungsbeispiels im Dauerbetrieb in Abhängigkeit des Pumpstroms im Vergleich zu einem VCSEL nach dem Stand der Technik undFIG. 3 shows the optical output power of the exemplary embodiment in continuous operation as a function of the pump current in comparison to a VCSEL according to the prior art and
Figur 4 die optische Ausgangsleistung des Ausführungsbei- spiels im Pulsbetrieb in Abhängigkeit des Pumpstroms im Vergleich zu einem VCSEL nach dem Stand der Technik.FIG. 4 shows the optical output power of the exemplary embodiment in pulsed operation as a function of the pump current in comparison to a VCSEL according to the prior art.
Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Halbleiterkörper 1 mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche auf, wobei die erste Hauptfläche mit einer ersten Kontaktfläche 2 und die zweite Hauptfläche mit einer zweiten Kontaktfläche 3 versehen ist. Weiterhin ist in dem Halbleiterkörper 1 eine aktive Schicht 4 ausgebildet, die zwischen einem ersten Spiegel 5 und einem zweiten Spiegel 6 angeordnet ist. Die Spiegel enthalten nach Art eines Bragg-Spiegels eine Mehrzahl von Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex .The exemplary embodiment shown in FIG. 1 has a semiconductor body 1 with a first and a second main surface, the first main surface being provided with a first contact surface 2 and the second main surface being provided with a second contact surface 3. Furthermore, an active layer 4 is formed in the semiconductor body 1 and is arranged between a first mirror 5 and a second mirror 6. In the manner of a Bragg mirror, the mirrors contain a plurality of layers with alternating high and low refractive index.
Die Spiegel 5 und 6 bilden den Resonator des VCSEL, wobei der Spiegel 6 auf der Seite der zweiten Hauptfläche bzw. der zweiten Kontaktfläche 3 den Auskoppelspiegel des Resonators darstellt .The mirrors 5 and 6 form the resonator of the VCSEL, the mirror 6 on the side of the second main surface and the second contact surface 3 respectively representing the coupling-out mirror of the resonator.
Zwischen der auskoppelseitigen Kontaktfläche 3 und der aktiven Schicht 4 ist eine ringförmige Stromeinschnürungsschicht 7 mit einem elektrisch leitfähigen Zentrum und einem nichtleitenden, ringförmigen Außenbereich angeordnet. Diese Stromeinschnürungsschicht 7 konzentriert im Betrieb den Pumpstrom im Zentrum der aktiven Schicht 4, in dem sich so das aktiveAn annular current constriction layer 7 with an electrically conductive center and a non-conductive, annular outer region is arranged between the coupling-out contact surface 3 and the active layer 4. In operation, this current constriction layer 7 concentrates the pump current in the center of the active layer 4, in which the active layer is thus
Volumen 8 ausbildet. Durch diese Stromkonzentration wird eine hohe Pumpstromdichte in der aktiven Schicht 4 bzw. entsprechend ein niedriger Schwellenstrom des VCSEL erreicht.Volume 8 forms. Due to this current concentration a high pump current density in the active layer 4 or correspondingly a low threshold current of the VCSEL is reached.
Die auskoppelseitige zweite Kontaktfläche 3 ist als dünne, ringförmige Metallschicht aus einer AuZn-Legierung mit einer Dicke von 6 nm gebildet und weist bei der Emissionswellenlänge des Lasers im Bereich von 900 nm eine Transmission von etwa 50% auf. Die Ringöffnung besitzt einen Durchmesser von 15 μm, die Stromeinschnürungsschicht einen Innendurchmesser von 19 μm, so daß die Kontaktfläche 3 und die Apertur derThe coupling-out second contact surface 3 is formed as a thin, ring-shaped metal layer made of an AuZn alloy with a thickness of 6 nm and has a transmission of approximately 50% at the emission wavelength of the laser in the range of 900 nm. The ring opening has a diameter of 15 microns, the current constriction layer an inner diameter of 19 microns, so that the contact surface 3 and the aperture of the
Stromeinschnürungsschicht 7 auf einer 2 μm breiten ringförmigen Fläche überlappen (in Figur 1 nicht maßstabgetreu dargestellt) .Current constriction layer 7 overlap on a 2 μm wide annular surface (not shown to scale in FIG. 1).
Dieser Überlapp gewährleistet bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine effiziente Einleitung des Pumpstroms von der Kontaktfläche 3 durch den Innenbereich der Stromeinschnürungsschicht 7 in das aktive Volumen 8. Da die Kontaktfläche 3 semitransparent gebildet ist, wird auch die in den Randbereichen des aktiven Volumens 8 generierte Laserstrahlung teilweise ausgekoppelt und so die Strahlungsausbeute des VCSEL erhöht.In the exemplary embodiment shown, this overlap ensures an efficient introduction of the pump current from the contact surface 3 through the inner region of the constriction layer 7 into the active volume 8. Since the contact surface 3 is semitransparent, the laser radiation generated in the edge regions of the active volume 8 is also partially coupled out and so increases the radiation yield of the VCSEL.
In Figur 2 ist die Transmission 9 der zweiten Kontaktfläche 3 und ihr elektrischer Serienwiderstand 10 in Abhängigkeit der Kontaktflächendicke dargestellt. Aufgetragen sind jeweils drei Meßpunkte für die Kontaktdicken 3 nm, 6 nm und 12 nm. Die durchgezogenen Linien zwischen den Meßpunkten dienen lediglich der Veranschaulichung.FIG. 2 shows the transmission 9 of the second contact surface 3 and its electrical series resistance 10 as a function of the contact surface thickness. Three measuring points for the contact thicknesses of 3 nm, 6 nm and 12 nm are plotted. The solid lines between the measuring points are only for illustration purposes.
Der Transmissionskoeffizient 9 sinkt mit abnehmender Dicke im wesentlichen linear, so daß allein demnach eine möglichst geringe Schichtdicke zur Erhöhung der Strahlungsausbeute vorteilhaft ist. Der elektrische Widerstand 10 hingegen variiert für Schichtdicken zwischen 12 nm und 6 nm kaum, steigt aber bei geringeren Schichtdicken stark an. Entsprechend steigt auch die elektrische Verlustleistung. Aus diesen beiden Zu- sammenhängen ergibt sich eine optimale Schichtdicke im Bereich von 6 nm für AuZn-Kontakte . Für andere Materialien kann die optimale Schichtdicke in analoger Weise leicht ermittelt werden .The transmission coefficient 9 decreases substantially linearly with decreasing thickness, so that the smallest possible layer thickness is therefore advantageous in order to increase the radiation yield. The electrical resistance 10, on the other hand, hardly varies for layer thicknesses between 12 nm and 6 nm, but rises sharply with smaller layer thicknesses. The electrical power loss increases accordingly. From these two conditions together, there is an optimal layer thickness in the range of 6 nm for AuZn contacts. For other materials, the optimal layer thickness can easily be determined in an analogous manner.
Alternativ zu einer dünnen Metallschicht als semitransparenter Kontaktfläche 3 ist auch die Ausbildung einer leitfähigen Schicht möglich, die aufgrund ihrer Zusammensetzung und den daraus resultierenden spektralen Eigenschaften für die er- zeugte Strahlung durchlässig ist. Hierfür eignen sich beispielsweise leitfähige Gläser, die Zinnoxid, Indiumoxid oder ITO enthalten. Diese Materialien sind im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich weitgehend transparent und zeichnen sich durch gute elektrische Leitfähigkeit aus.As an alternative to a thin metal layer as a semitransparent contact surface 3, it is also possible to form a conductive layer which, due to its composition and the resulting spectral properties, is transparent to the radiation generated. Conductive glasses containing tin oxide, indium oxide or ITO are suitable for this. These materials are largely transparent in the visible and near-infrared spectral range and are characterized by good electrical conductivity.
In Figur 3 ist die optische Ausgangsleistung 11 des Ausführungsbeispiels im Dauerbetrieb gegen den Pumpstrom im Vergleich zur Ausgangsleistung 12 eines VCSEL nach dem Stand der Technik mit vergleichbarer Struktur dargestellt. Beide VCSEL besitzen eine ringförmige Stromeinschnürungsschicht 7 mit einem Innenradius von 15 μm sowie eine ringförmige Kontaktfläche, die, wie oben ausgeführt, auf einem 2 μm breiten Ringbereich mit der Apertur der Stromeinschnürungsschicht 7 überlappt. Bei dem VCSEL nach dem Stand der Technik ist die der zweiten Kontaktfläche 3 entsprechende Kontaktfläche als strahlungsabsorbierende bzw. -reflektierende Kontaktfläche ausgeführt, die im wesentlichen aus einer Chrom-Platin-Gold- Legierung besteht .FIG. 3 shows the optical output power 11 of the exemplary embodiment in continuous operation against the pump current in comparison with the output power 12 of a VCSEL according to the prior art with a comparable structure. Both VCSELs have an annular current constriction layer 7 with an inner radius of 15 μm and an annular contact surface which, as stated above, overlaps the aperture of the current constriction layer 7 on a 2 μm wide ring area. In the VCSEL according to the prior art, the contact area corresponding to the second contact area 3 is designed as a radiation-absorbing or reflecting contact area, which essentially consists of a chromium-platinum-gold alloy.
Bei beiden VCSEL beträgt der Schwellenstrom etwa 3,5 mA. Bis zu einem Pumpstrom von 6 mA weisen beide VCSEL etwa dieselbe Dauerausgangsleistung auf. Für größere Ströme ist die optische Ausgangsleistung 11 bei der Erfindung deutlich größer als bei dem VCSEL nach dem Stand der Technik und übertrifft letztere um mehr als 40%. Dieses Verhalten der VCSEL ist darauf zurückzuführen, daß im Bereich der Laserschwelle bis zu einem Pumpstrom von etwa 6 mA im Laserresonator nur die Grundmode anschwingt . Das elektromagnetische Feld dieser näherungsweise gaußförmigen Mode ist stark auf die Resonatormitte konzentriert, so daß eine Abschattung in den Randbereichen des Resonators bzw. deren Reduzierung die Ausgangsleistung nur geringfügig verändert .The threshold current for both VCSELs is approximately 3.5 mA. Up to a pump current of 6 mA, both VCSELs have approximately the same continuous output power. For larger currents, the optical output power 11 in the invention is significantly larger than in the VCSEL according to the prior art and exceeds the latter by more than 40%. This behavior of the VCSEL is due to the fact that only the basic mode oscillates up to a pump current of about 6 mA in the laser resonator in the area of the laser threshold. The electromagnetic field of this approximately Gaussian mode is strongly concentrated on the center of the resonator, so that shading in the edge regions of the resonator or its reduction only slightly changes the output power.
Bei größeren Pumpströmen schwingen höhere Moden an, deren Feldverteilung sich weiter in die Randbereiche des aktiven Volumens erstreckt. In diesem Multimode-Betrieb bewirkt die Erfindung eine deutliche Erhöhung der Strahlungsausbeute, da durch die Ausbildung einer semitransparenten auskoppelseiti- gen Kontaktfläche 3 die Abschattung insbesondere im Bereich der Feldmaxima höherer Moden reduziert wird.With larger pump currents, higher modes oscillate, the field distribution of which extends further into the edge regions of the active volume. In this multimode operation, the invention brings about a significant increase in the radiation yield, since the formation of a semitransparent coupling-out contact surface 3 reduces shading, in particular in the area of the field maxima of higher modes.
In Figur 4 ist die Ausgangsleistung 13 des Ausführungsbei- spiels im Vergleich zur Ausgangsleistung 14 eines VCSEL nach dem Stand der Technik im gepulsten Betrieb dargestellt. Wie in Figur 3 weisen beide VCSEL etwa denselben Schwellenstrom auf, der im Pulsbetrieb 6 A beträgt.FIG. 4 shows the output power 13 of the exemplary embodiment in comparison with the output power 14 of a VCSEL according to the prior art in pulsed operation. As in FIG. 3, both VCSELs have approximately the same threshold current, which is 6 A in pulsed operation.
Bis zu einem Pumpstrom von 10 mA zeigen beide VCSEL eine ähn- liehe Abhängigkeit der Ausgangsleistung vom Pumpstrom. Bei größeren Pumpströmen ist die Ausgangsleistung 13 des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels wesentlich größer als die Ausgangsleistung 14 des VCSEL nach dem Stand der Technik und übertrifft letztere maximal um etwa einen Faktor 2,8.Up to a pump current of 10 mA, both VCSELs show a similar dependency of the output power on the pump current. With larger pump currents, the output power 13 of the exemplary embodiment according to the invention is significantly greater than the output power 14 of the VCSEL according to the prior art and exceeds the latter by a maximum of about a factor of 2.8.
Die Erläuterung der Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels ist selbstverständlich nicht als Beschränkung der Erfindung hierauf zu verstehen.The explanation of the invention on the basis of the exemplary embodiment is of course not to be understood as a limitation of the invention thereto.
Insbesondere hinsichtlich der verwendbaren Materialien und des weiteren Aufbaus ist die Erfindung keinen prinzipiellen Beschränkungen unterworfen. Als Halbleitermaterialien können beispielsweise GaAs- oder InP-basierende Systeme, insbesondere InGaAlAs, InGaN, InGaAsP oder InGaAlP verwendet werden. In particular with regard to the materials which can be used and the further structure, the invention is not subject to any fundamental restrictions. For example, GaAs or InP-based systems, in particular InGaAlAs, InGaN, InGaAsP or InGaAlP, can be used as semiconductor materials.

Claims

Patentansprüche claims
1. VCSEL mit einem Halbleiterkörper (1) mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche, wobei auf der ersten Hauptflä- ehe eine erste Kontaktfläche (2) ausgebildet ist, und mit einer aktiven Schicht (4) , die zwischen einem ersten Spiegel (5) und einem zweiten Spiegel (6) angeordnet ist, wobei die erzeugte Strahlung zumindest teilweise durch den zweiten Spiegel (6) und die zweite Hauptfläche ausgekoppelt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf der zweiten Hauptfläche eine zweite Kontaktfläche (3) angeordnet ist, die dem zweiten Spiegel (6) in Emissionsrichtung nachgeordnet ist und die für die erzeugte Strahlung transparent oder semitransparent ist.1. VCSEL with a semiconductor body (1) with a first and a second main surface, a first contact surface (2) being formed on the first main surface, and with an active layer (4) which is between a first mirror (5) and a second mirror (6) is arranged, wherein the radiation generated is at least partially coupled out through the second mirror (6) and the second main surface, characterized in that a second contact surface (3) is arranged on the second main surface, which is the second mirror (6) is arranged downstream in the emission direction and is transparent or semi-transparent to the radiation generated.
2. VCSEL nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zweite Kontaktfläche (3) als dünne Metallschicht ausgebildet ist.2. VCSEL according to claim 1, so that the second contact surface (3) is formed as a thin metal layer.
3. VCSEL nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zweite Kontaktfläche (3) ringförmig gebildet ist.3. VCSEL according to claim 1 or 2, so that the second contact surface (3) is formed in a ring.
4. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zweite Kontaktfläche (3) eine Gold-Zink-Legierung, eine Gold-Beryllium-Legierung, Zinnoxid, Indiumoxid oder Indiumzinnoxid (ITO) enthält.4. VCSEL according to one of claims 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the second contact surface (3) contains a gold-zinc alloy, a gold-beryllium alloy, tin oxide, indium oxide or indium tin oxide (ITO).
5. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 4", d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Dicke der zweiten Kontaktfläche (3) zwischen 2 nm und5. VCSEL according to one of claims 1 to 4 " , characterized in that the thickness of the second contact surface (3) between 2 nm and
30 nm liegt. 30 nm.
6. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zweite Kontaktfläche (3) im wesentlichen aus einer Gold-Zink-Legierung besteht und eine Dicke von 6 nm aufweist.6. VCSEL according to one of claims 1 to 5, that the second contact surface (3) consists essentially of a gold-zinc alloy and has a thickness of 6 nm.
7. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß in axialer Projektion ein Teilbereich der zweiten. Kontaktfläche (3) mit dem aktiven Volumen (8) des VCSELs über- läppt.7. VCSEL according to one of claims 1 to 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that a partial area of the second in axial projection. Contact area (3) with the active volume (8) of the VCSEL overlaps.
8. VCSEL nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen der zweiten Hauptfläche und der aktiven Schicht (4) eine ringförmige Stromeinschnürungsschicht (7) angeordnet ist .8. VCSEL according to one of claims 1 to 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that between the second main surface and the active layer (4) an annular current constriction layer (7) is arranged.
9. VCSEL nach Anspruch 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Stromeinschnürungsschicht (7) an die zweite Hauptfläche grenzt .9. VCSEL according to claim 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the current constriction layer (7) borders on the second main surface.
10. VCSEL nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zweite Kontaktfläche (3) ringförmig gebildet ist und die Apertur der Kontaktfläche (3) kleiner ist als die Apertur der Stromeinschnürungsschicht (7) .10. VCSEL according to claim 7 or 8, so that the second contact surface (3) is formed in a ring and the aperture of the contact surface (3) is smaller than the aperture of the current constriction layer (7).
11. VCSEL einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der erste Spiegel (5) nach der Art eines Bragg-Spiegels ausgebildet ist.11. VCSEL one of claims 1 to 10, so that the first mirror (5) is designed in the manner of a Bragg mirror.
12. VCSEL einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zweite Spiegel (6) nach der Art eines Bragg-Spiegels ausgebildet ist. 12. VCSEL one of claims 1 to 11, so that the second mirror (6) is designed in the manner of a Bragg mirror.
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