ЛАЗЕР С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ И ПОВЕРХНОСТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ Российский патент 2018 года по МПК H01S5/183 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к лазеру с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL), содержащему распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах, и к соответствующему способу изготовления такого VCSEL.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) уровня техники, описанные, например, в US 5596595, нуждаются в апертуре тока для электрического и оптического удержания. Это обычно реализуется посредством поперечного оксидирования слоя с высоким содержанием алюминия. Поперечное оксидирование может обусловить проблемы с надежностью.

US 2012/0128020 A1 раскрывает, как интегрировать структуру слоев фототранзистора в стопку слоев лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, задачей настоящего изобретения является обеспечение VCSEL с улучшенной надежностью.

Согласно первому аспекту обеспечен лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением содержит первый электрический контакт, подложку, первый распределенный брэгговский отражатель (distributed Bragg reflector - DBR), активный слой, распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах, второй распределенный брэгговский отражатель (DBR) и второй электрический контакт. Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах содержит коллекторный слой, светочувствительный слой, базовый слой и эмиттерный слой. Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах выполнен так, что между активным слоем и распределенным биполярным фототранзистором на гетеропереходах существует оптическая связь для обеспечения удержания активных носителей посредством распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах так, что оптическая мода лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением является самоустанавливающейся в соответствии с удержанием активных носителей во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением.

Термин «слой» не исключает того, что слой содержит два или более подслоев. Использование монолитно интегрированных распределенных биполярных фототранзисторов на гетеропереходах (heterojunction bipolar phototransistor - HBT) вблизи активной области может обеспечить возможность эффективного удержания носителей посредством управления инжекцией носителей как функции локальной интенсивности фактического профиля лазерной моды. В результате, инжекция носителей может быть адаптирована локально к требованию лазерной моды и наоборот. Кроме того, HBT с оптическим чувствительным переходом коллектор-база может быть выполнен так, чтобы малое оптическое поглощение и высокий коэффициент усиления по току могли быть реализованы с умеренными концентрациями легирующей примеси в эмиттерном слое. Светочувствительный слой может быть слоем квантовых ям или объемным слоем. Объемные слои являются, например, гомогенными слоями с толщиной, равной 10 нм или более, в которых эффектами квантовой механики можно пренебречь.

HBT расположен в пределах VCSEL так, что чувствительность в отношении света, который генерируется посредством активного слоя VCSEL в комбинации с оптическим резонатором, обеспечиваемым первым и вторым DBR, является достаточно высокой. HBT может быть, например, pnp-HBT, который расположен прямо над активным слоем, что означает на стороне активного слоя, которая отвернута от обычно n-проводящей подложки. В альтернативном подходе можно расположить npn-HBT прямо под активным слоем. «Прямо» означает в этой связи, что pnp-HBT или npn-HBT расположен как можно ближе к активному слою. Это не исключает того, что существует один или более промежуточных слоев, которые могут потребоваться для улучшения, например, эффективности и/или надежности VCSEL. Можно также последовательно разместить HBT в первом или втором DBR после, например, трех или пяти пар зеркальных слоев. Структура слоев HBT может быть даже интегрирована в один из DBR. Толщина одного или нескольких слоев HBT может быть адаптирована для излучения длины волны VCSEL (четвертьволновой слой). Один или более слоев HBT, в этом случае, могут быть использованы для увеличения коэффициента отражения соответствующего DBR. Можно даже использовать два HBT, один под и один над активным слоем.

Расположение HBT прямо над или под активным слоем может иметь преимущество, состоящее в том, что вследствие низкой поперечной проводимости между HBT и активным слоем оптическая мода соответствует наилучшим образом профилю соответствующих носителей заряда.

Концентрация легирующих примесей в коллекторном слое, базовом слое и эмиттерном слое меньше 10¹⁹ см^-3. Легирующие примеси слоев HBT обусловливают оптические потери, так что низкий уровень легирующих примесей является предпочтительным. Эмиттерный слой HBT является слоем с наивысшей концентрацией легирующей примеси. Концентрация легирующих примесей в эмиттерном слое может быть, например, вплоть до 5⋅10¹⁸ см^-3 или даже 2⋅10¹⁸ см^-3. Концентрация легирующих примесей может быть вплоть до 1⋅10¹⁸ см^-3 в базовом слое и 4⋅10¹⁷ см^-3 в коллекторном слое, в случае концентрации легирующих примесей, равной 2⋅10¹⁸ см^-3 в эмиттерном слое, для уменьшения оптических потерь посредством носителей заряда.

Толщина базового слоя может быть равной 100 нм или менее. HBT может быть pnp-HBT, который расположен между активным слоем и вторым DBR. Базовый слой может, в этом случае, иметь толщину, равную приблизительно λ/4 длины волны излучения VCSEL в материале базового слоя. Длина волны излучения может зависеть от материала подложки. Подложка из GaAs может быть использована для длины волны излучения между 650 нм и около 1600 нм. VCSEL с подложкой из InP может излучать лазерный свет с длиной волны излучения, большей или даже гораздо больше чем 1500 нм. Толщина коллекторного слоя может находиться в диапазоне λ/2 длины волны излучения VCSEL.

Коэффициент усиления по току (соотношение между электронным током из базового слоя в эмиттерный слой и дырочным током из эмиттерного слоя в коллекторный слой) распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах равен 100 или более. Высокий коэффициент усиления по току может иметь преимущество, состоящее в том, что малый базовый ток является достаточным для получения высокого эмиттерного тока. Базовый ток зависит от поглощения света посредством светочувствительного слоя биполярного фототранзистора на гетеропереходах. Биполярный фототранзистор на гетеропереходах с высоким коэффициентом усиления по току может быть, таким образом, очень чувствительным в отношении света, генерируемого посредством активного слоя или, в общем, света, генерируемого посредством VCSEL. Последнее может оказывать сильное влияние на пороговое напряжение, крутизну характеристики и эффективность VCSEL.

Коэффициент усиления по току общепринятого биполярного транзистора приблизительно задается отношением концентрации легирующих примесей в эмиттерном слое, деленной на концентрацию легирующих примесей в базовом слое. Коэффициент усиления по току, равный 100, в действительности, требует легирования эмиттера, большего легирования базы с по меньшей мере коэффициентом, равным 100. Используемые значения для легирования базы составляют 10¹⁸ см^-3, что приводит к довольно высокой концентрации легирующих примесей эмиттера, равной 100⋅10¹⁸⋅см^-3=10²⁰ см^-3. В то же время, эмиттерному слою требуется толщина, равная по меньшей мере 100 нм, для выполнения работы общепринятого биполярного транзистора. Это означает, что необходимо довольно сильное легирование в эмиттерном слое, что увеличивает на значительную величину поглощение свободных носителей в резонаторе VCSEL. Это может обусловливать уменьшенную эффективность VCSEL.

Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах может иметь преимущество, состоящее в том, что коэффициентом усиления по току можно управлять посредством высоты скачка на гетеропереходах. Влияние концентрации легирующих примесей слоев является, таким образом, не таким важным для управления коэффициентом усиления по току. Коэффициенты усиления по току, равные 200, 300, 400, 500 или даже 1000 или более, могут быть, таким образом, возможными без высоких концентраций легирующих примесей, которые могут обусловливать поглощение света и, таким образом, уменьшение эффективности.

Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах может быть выполнен электропроводящим в отсутствие светового излучения лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением при заданном пороговом напряжении, так что световое излучение лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением может быть инициировано приложением напряжения, большего или равного пороговому напряжению. Электрический ток через HBT определяется, главным образом, посредством света, излучаемого активным слоем. Это означает, что не существует тока, пока не существует света, и наоборот. VCSEL может быть запущен, предусматривая HBT таким, чтобы HBT открывался выше заранее заданного порогового напряжения. Пороговое напряжение может быть, например, определено напряжением пробоя эмиттер-коллектор распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах. Напряжение пробоя эмиттер-коллектор может быть меньше или равно 10 В.

Существуют разные способы для достижения низкого напряжения пробоя эмиттер-коллектор, такие как, например, слабое легирование базы или сильное легирование коллектора или малая толщина базы. Пороговое напряжение биполярного фототранзистора на гетеропереходах может составлять 5 В, 3 В, 2 В или менее. HBT позволит току проходить, в случае, если напряжение достигнет порогового напряжения. Этот начальный ток генерирует начальные фотоны, которые откроют распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах.

Альтернативно, может быть даже обеспечена возможность использования тока утечки распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах для запуска VCSEL. Ток утечки может быть использован для генерации света в активном слое, пока напряжение выше порогового напряжения приложено к VCSEL. Этот спонтанно излучаемый свет может быть достаточным для открывания распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах, как описано выше. В этом случае, может быть ненужным приложение напряжения выше напряжения пробоя эмиттер-коллектор, так что напряжение, равное 1 В, может быть достаточным для запуска VCSEL.

Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением не нуждается в апертуре тока для получения приемлемого удержания тока. Апертура тока в случае VCSEL с верхним излучением обычно интегрирована во второй DBR выше активного слоя и образована оксидированием так называемого слоя удержания тока. Слой удержания тока должен находиться вблизи активного слоя для согласования распределения тока с оптической модой VCSEL. Слой удержания тока не является необходимым в VCSEL, содержащем распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах, описанный выше. Таким образом, не нужно проектировать первый или второй DBR, который является электропроводящим, чтобы обеспечить электрический ток через апертуру тока. Таким образом, первый распределенный брэгговский отражатель или второй распределенный брэгговский отражатель могут быть выполнены так, что во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением электрический ток через первый распределенный брэгговский отражатель или второй распределенный брэгговский отражатель отсутствует. Ток не может протекать через второй DBR, если VCSEL выполнен как VCSEL с верхним излучением, в котором HBT расположен между активным слоем и вторым DBR. HBT может быть, в этом случае, прямо соединен посредством второго электрического контакта. Второй DBR может содержать пары непроводящих диэлектрических слоев с разными показателями преломления, таких как, например, слои Nb₂О₅, TiО₂, TaО₂, Si₃N₄ и SiО₂.

Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах может быть расположен между активным слоем и вторым распределенным брэгговским отражателем, а коэффициент отражения второго распределенного брэгговского отражателя может быть предусмотрен таким, что во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением лазерный свет излучается через второй распределенный брэгговский отражатель. В этом случае VCSEL излучает лазерный свет в направлении от подложки. VCSEL мог бы быть так называемым излучателем с верхним излучением.

Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах может быть расположен между первым распределенным брэгговским отражателем и активным слоем, а коэффициент отражения первого распределенного брэгговского отражателя предусмотрен таким, что во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением лазерный свет излучается через первый распределенный брэгговский отражатель. В этом случае VCSEL излучает лазерный свет в направлении подложки. Подложка, таким образом, должна быть либо прозрачной на длине волны излучения VCSEL, либо подложка должна быть удалена локально таким образом, чтобы существовало окно излучения. VCSEL могла бы быть так называемым излучателем с нижним излучением.

Лазерное устройство может содержать по меньшей мере два лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением, описанных выше, причем лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением совместно используют первый распределенный брэгговский отражатель и второй распределенный брэгговский отражатель так, что вторые электрические контакты лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением расположены на общей поверхности. Лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением лазерного устройства дополнительно совместно используют слои, которые расположены между первым и вторым распределенным брэгговским отражателем, такие как, например, активный слой и слои распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах. Не требуется оксидирование слоев второго DBR для обеспечения апертуры тока в слое удержания тока. Следовательно, не требуется меза-травление, так что упомянутые по меньшей мере два VCSEL могут совместно использовать второй DBR. Второй электрический контакт может быть осажден прямо поверх второго DBR. Альтернативно, можно обеспечить промежуточный слой или слои между вторым DBR и вторым электрическим контактом. Можно расположить три, четыре, пять или даже матрицу из множества VCSEL в таком монолитном устройстве. Производство матриц VCSEL может быть, таким образом, упрощено и можно избежать рисков, связанных с меза-травлением и последующим оксидированием.

Коэффициент отражения второго распределенного брэгговского отражателя может быть в таком монолитном устройстве из двух или более VCSEL локально увеличен в по меньшей мере двух разных областях второго распределенного брэгговского отражателя так, чтобы во время функционирования лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением лазерная генерация начинается в областях с увеличенным коэффициентом отражения. Локализованное травление поверхности может быть, например, полезным для обеспечения начала лазерной генерации лазерной моды в требуемом поперечном положении.

Дифракционная решетка может быть обеспечена в областях с увеличенным коэффициентом отражения с обеспечением возможности одномодового излучения с устойчивой поляризацией лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением. Неглубокое травление, которое может быть использовано для обеспечения областей с увеличенным коэффициентом отражения, может быть также использовано для обеспечения формы локализованной дифракционной решетки для определения поляризации моды VCSEL.

Монолитное устройство лазеров также возможно, если первый распределенный брэгговский отражатель или второй распределенный брэгговский отражатель содержит пары диэлектрических слоев, которые являются неэлектропроводящими, как описано выше. Лазерное устройство может содержать, например, по меньшей мере два таких лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением. Лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением могут совместно использовать распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах. Лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением могут дополнительно совместно использовать активный слой. Конструкция лазера может содержать три, четыре, пять или даже матрицу из множества VCSEL. Зеркальные слои второго DBR VCSEL могут быть, например, осаждены, и контакты для HBT могут быть обеспечены посредством маскирования перед осаждением или посредством травления после осаждения. Коэффициент отражения второго DBR может быть локально увеличен посредством обеспечения, например, по меньшей мере одной дополнительной пары слоев диэлектрических материалов в заранее заданном положении так, чтобы было обеспечено, что лазерная мода начнет лазерную генерацию в требуемом поперечном положении каждого VCSEL конструкции лазера.

Согласно второму аспекту обеспечен способ изготовления лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением. Способ содержит этапы:

- обеспечение первого электрического контакта,

- обеспечение подложки,

- обеспечение первого распределенного брэгговского отражателя,

- обеспечение активного слоя,

- обеспечение распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах, содержащего коллекторный слой, светочувствительный слой квантовых ям, базовый слой и эмиттерный слой,

причем концентрация легирующих примесей в коллекторном слое, базовом слое и эмиттерном слое является меньшей чем 10¹⁹ см^-3,

- обеспечение второго распределенного брэгговского отражателя,

- обеспечение второго электрического контакта,

- выполнение распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах так, что между активным слоем и распределенным биполярным фототранзистором на гетеропереходах существует оптическая связь для обеспечения удержания активных носителей посредством распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах так, что оптическая мода лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением является самоустанавливающейся в соответствии с удержанием активных носителей во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением, и обеспечение коэффициента усиления по току (соотношение между электронным током из базового слоя в эмиттерный слой и дырочным током из эмиттерного слоя в коллекторный слой) распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах таким, что оно составляет по меньшей мере 100.

Этапы не обязательно должны выполняться в порядке, приведенном выше. Подложка может быть, например, обеспечена на первом этапе, а первый электрический контакт на втором этапе. Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах может быть обеспечен в пределах первого DBR, между первым DBR и активным слоем, между активным слоем и вторым DBR или в пределах второго DBR. Разные слои могут быть осаждены эпитаксиальными способами, такими как MOCVD и т.п.

Следует понимать, что VCSEL по пп. 1-9 и способ по п. 14 имеют подобные и/или идентичные варианты осуществления, конкретно, варианты осуществления, определенные в зависимых пунктах формулы изобретения. Кроме того, способ по п. 14 может быть использован для изготовления лазерного устройства по любому из пп. 10-13.

Следует понимать, что предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения может быть также комбинация зависимых пунктов формулы изобретения с соответствующим независимым пунктом формулы изобретения.

Дополнительные предпочтительные варианты осуществления определены ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут понятны из вариантов осуществления, описанных ниже, и будут разъяснены со ссылкой на них.

Настоящее изобретение будет теперь описано, в качестве примера, на основе вариантов осуществления со ссылкой на сопутствующие чертежи.

На чертежах:

Фиг. 1 показывает принципиальное схематическое изображение первого VCSEL с распределенным HBT.

Фиг. 2 показывает принципиальное схематическое изображение одного варианта осуществления расположения слоев распределенного HBT.

Фиг. 3 показывает принципиальное схематическое изображение картины стоячей волны VCSEL относительно расположения слоев распределенного HBT.

Фиг. 4 показывает эквивалентную схему распределенного HBT и активного слоя.

Фиг. 5 показывает график, показывающий зонную диаграмму распределенного HBT в пределах VCSEL.

Фиг. 6 показывает принципиальное схематическое изображение второго VCSEL.

Фиг. 7 показывает принципиальное схематическое изображение третьего VCSEL.

Фиг. 8 показывает принципиальное схематическое изображение четвертого VCSEL.

Фиг. 9 показывает принципиальное схематическое изображение пятого VCSEL.

Фиг. 10 показывает принципиальное схематическое изображение VCSEL с распределенным HBT при нормальном функционировании.

Фиг. 11 показывает принципиальное схематическое изображение VCSEL с распределенным HBT при функционировании с локальным дефектом.

Фиг. 12 показывает принципиальное схематическое изображение первого лазерного устройства, содержащего VCSEL с распределенным HBT.

Фиг. 13 показывает принципиальное схематическое изображение второго лазерного устройства, содержащего VCSEL с распределенным HBT.

Фиг. 14 показывает принципиальное схематическое изображение блок-схемы последовательности операций способа изготовления VCSEL согласно настоящему изобретению.

На фигурах одинаковые ссылочные позиции везде относятся к одинаковым объектам. Объекты на фигурах не обязательно приведены в масштабе.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Различные варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны посредством фигур.

Фиг. 1 показывает принципиальное схематическое изображение первого VCSEL с распределенным HBT. Первый VCSEL является VCSEL с верхним излучением, излучающим лазерный свет в направлении от подложки 110. На нижней стороне подложки 110 обеспечен первый электрический контакт 105. На верхней стороне подложки обеспечен первый DBR 115, содержащий 30 пар слоев с первым и вторым показателем преломления. Пары слоев первого DBR 115 содержат слои AlGaAs/GaAs. Толщина слоев адаптирована к длине волны излучения VCSEL для обеспечения требуемого коэффициента отражения, большего чем 99,9%. Поверх первого DBR 115 обеспечен активный слой 120. Активный слой 120 содержит структуру квантовых ям для генерации света. Слой инжекции n-тока (не показан) может быть расположен между первым DBR 110 и активным слоем 115. Распределенный HBT 125 обеспечен поверх активного слоя 120. Второй DBR 130 обеспечен поверх распределенного HBT 125. Второй DBR 130 содержит 15 пар слоев, которые содержат слои AlGaAs/GaAs. Толщина пары слоев адаптирована к длине волны излучения VCSEL для обеспечения требуемого коэффициента отражения около 95%. Второй электрический контакт 135 в форме кольца электрически контактирует с электропроводящим вторым DBR 130. VCSEL излучает лазерный свет в направлении стрелки через второй DBR 130. Распределенный HBT 125 расположен выше активного слоя 120 и является, таким образом, pnp-HBT.

Фиг. 2 показывает принципиальное схематическое изображение одного варианта осуществления расположения слоев распределенного HBT 125, который может быть интегрирован в первый VCSEL. Распределенный HBT содержит коллекторный слой 125а, первый промежуточный слой 125b, светочувствительный слой 125с, второй промежуточный слой 125d, базовый слой 125е и эмиттерный слой 125f. Коллекторный слой 125а содержит GaAs с толщиной, равной 50 нм, и концентрацией атомов углерода, равной 4⋅10¹⁷ см^-3. Первый промежуточный слой 125b расположен ниже коллекторного слоя 125а и содержит слой GaAs толщиной 5 нм. Светочувствительный слой 125с расположен ниже первого промежуточного слоя 125b и содержит светочувствительный слой квантовых ям, содержащий Ga_0,73In_0,27As с толщиной, равной 5 нм. Второй промежуточный слой 125d расположен ниже светочувствительного слоя 125с и содержит слой GaAs толщиной 5 нм. Базовый слой 125е расположен ниже второго промежуточного слоя 125d и содержит GaAs с толщиной, равной 35 нм, и концентрацией атомов кремния, равной 1.5⋅10¹⁸ см^-3. Эмиттерный слой 125f расположен ниже базового слоя 125е и содержит Al_0,24Ga_0,76As с толщиной, равной 25 нм, и концентрацией атомов углерода, равной 1.5⋅10¹⁸ см^-3. Состав материалов разных слоев может изменяться в соответствии с требованиями VCSEL. Концентрация легирующих примесей в коллекторном слое оказывает значительное влияние на напряжение пробоя HBT. Таким образом, может быть предпочтительным использование легирования углеродом с концентрацией, меньшей чем 1.5⋅10¹⁸ см^-3.

Распределенный HBT, показанный на фиг. 2, может быть интегрирован в первый VCSEL, показанный на фиг. 1. Таким образом, распределенный HBT может быть расположен непосредственно выше активного слоя 120. Расположение активного слоя 120 и распределенного HBT 125 показано вместе с картиной 310 стоячей волны первого VCSEL с фиг. 3. Активный слой 120 расположен в максимуме картины 310 стоячей волны. Толщина коллекторного слоя 125а и потенциальный промежуточный слой расположены так, что светочувствительный слой 125с также расположен в максимуме картины 310 стоячей волны для обеспечения возможности максимальной обратной связи между активным слоем 120 и светочувствительным слоем 125с. Соответствующая эквивалентная схема распределенного HBT и активного слоя показана на фиг. 4. Существует некоторая оптическая связь между активным слоем 120 и слоем 125 HBT, которая указана стрелкой. Когда активный слой 120 должен быть размещен в резонаторе, эта связь не является связью 1:1, но от поперечного качества резонатора зависит, насколько сильной является фактическая связь. Это приводит к шнурованию тока и удержанию носителей для «наилучшего возможного» положения для лазерной моды.

Фиг. 5 показывает график, показывающий зонную диаграмму распределенного HBT в пределах VCSEL. График показывает зону 380 проводимости, уровень Ферми электронов 385, уровень Ферми дырок 390 и валентную зону 395 по разным слоям распределенного HBT. n-легирование посредством атомов кремния в базовом слое 125е в комбинации со скачком в валентной зоне 395 эмиттерного слоя 125f AlGaAs мешает дыркам перейти из эмиттерного слоя 125f в коллекторный слой 125а. Если распределенный HBT 125 облучается некоторым светом, который поглощается в светочувствительном слое 125с (InGaAs QW) между коллекторным слоем 125а и базовым слоем 125е, то пара электрон-дырка будет сгенерирована для каждого фотона. Электрон будет перемещаться к базовому слою 125е и генерировать прямой ток через гетеропереход база-эмиттер. Этот прямой ток также обусловит гораздо больший дырочный ток (из эмиттерного слоя 125f в коллекторный слой 125а), что хорошо известно как эффект транзистора. Соотношение между электронным током из базы в эмиттер и дырочным током из эмиттерного слоя 125f в коллекторный слой 125а называется коэффициентом усиления по току HBT. Высокие коэффициенты усиления по току, равные ~ 1000, возможны с использованием распределенной HBT-структуры, как обсуждалось выше. Таким образом, существует такая цепь обратной связи между активным слоем и распределенным HBT, что положение лазерной моды и токовый режим адаптируются к оптимальному положению друг относительно друга.

Фиг. 6 показывает принципиальное схематическое изображение второго VCSEL. Второй VCSEL является VCSEL с верхним излучением, излучающим лазерный свет в направлении от подложки 110. На нижней стороне подложки 110 обеспечен первый электрический контакт 105. На верхней стороне подложки обеспечен первый DBR 115. Распределенный HBT 125 обеспечен поверх первого DBR 115. Активный слой 120 обеспечен поверх распределенного HBT 125. Второй DBR 130 обеспечен поверх активного слоя 120. Второй электрический контакт 135 электрически контактирует с электропроводящим вторым DBR 130. VCSEL излучает лазерный свет в направлении стрелки через второй DBR 130. Активный слой 120 является в этом случае светочувствительным объемным слоем, содержащим InGaAs, толщиной 12 нм. Распределенный HBT 125 расположен ниже активного слоя 120 и является, таким образом, npn-HBT.

Фиг. 7 показывает принципиальное схематическое изображение третьего VCSEL. Третий VCSEL является VCSEL с нижним излучением, излучающим лазерный свет в направлении подложки 110. Подложка 110 удалена в области, в которой излучается лазерный свет. Направление светового излучения указано стрелкой. На нижней стороне подложки 110 первый электрический контакт 105 обеспечен вокруг удаленной части подложки 110. На верхней стороне подложки обеспечен первый DBR 115 с коэффициентом отражения примерно 95% для обеспечения возможности светового излучения лазера через первый DBR 115. Распределенный HBT 125 обеспечен поверх первого DBR 115. Активный слой 120 обеспечен поверх распределенного HBT 125. Второй DBR 130 обеспечен поверх активного слоя 120 с коэффициентом отражения, большим чем 99,9%. Второй электрический контакт 135 электрически соединен с электропроводящим вторым DBR 130. Активный слой 120 является в этом случае светочувствительным объемным слоем, содержащим InGaAs, толщиной 10 нм. Распределенный HBT 125 расположен ниже активного слоя 120 и является, таким образом, npn-HBT.

Фиг. 8 показывает принципиальное схематическое изображение четвертого VCSEL. Четвертый VCSEL является VCSEL с верхним излучением, излучающим лазерный свет в направлении от подложки 110. На нижней стороне подложки 110 обеспечен первый электрический контакт 105. На верхней стороне подложки обеспечен первый DBR 115 с коэффициентом отражения, большим чем 99,9%. Поверх первого DBR 115 обеспечен активный слой 120. Активный слой 120 содержит структуру квантовых ям для генерации света. Распределенный HBT 125 обеспечен поверх активного слоя 120. Второй DBR 130 обеспечен поверх распределенного HBT 125 с коэффициентом отражения, равным около 95%. Второй электрический контакт 135 электрически соединен с электропроводящим вторым DBR 130. VCSEL излучает лазерный свет в направлении стрелки через второй DBR 130. Первый DBR 115, активный слой 120, светочувствительный слой 125 и второй DBR обеспечены в монолитном устройстве. Меза-травление отсутствует, и изготовление четвертого VCSEL может быть, таким образом, упрощено. Второй DBR 130 локально протравлен в области 140 для обеспечения большего коэффициента отражения второго HBT в области 140. Таким образом, лазер начинает излучать лазерный свет в положении области 140 вследствие увеличенного действия резонатора ниже области 140. Распределенный HBT 125 расположен выше активного слоя 120 и является, таким образом, pnp-HBT.

Фиг. 9 показывает принципиальное схематическое изображение пятого VCSEL. Пятый VCSEL является VCSEL с верхним излучением, излучающим лазерный свет в направлении от подложки 410. На верхней стороне подложки 410 обеспечен контактирующий слой 406. Контактирующий слой 406 электрически соединен с первым электрическим контактом 405, который расположен на левой стороне пятого VCSEL. Первый DBR 415 с коэффициентом отражения, большим чем 99,9%, расположен поверх контактирующего слоя 406. Контактирующий слой 406 распределяет ток по первому DBR 415. Поверх первого DBR 415 обеспечен активный слой 420. Активный слой 420 содержит структуру квантовых ям для генерации света. Распределенный HBT 425 обеспечен поверх активного слоя 420. Второй DBR 430 обеспечен поверх распределенного HBT 425 с коэффициентом отражения, равным примерно 95%. Второй электрический контакт 435 в форме кольца электрически соединен с электропроводящим HBT. Второй электрический контакт 435 в форме кольца окружает второй DBR 430. Второй DBR содержит чередующуюся конструкцию из слоев Nb₂O₅ и SiO_x, которые являются электрически изолирующими. VCSEL излучает лазерный свет в направлении стрелки через второй DBR 130.

Фиг. 10 показывает принципиальное схематическое изображение VCSEL согласно настоящему изобретению при нормальном функционировании. Электрический ток протекает от второго электрического контакта 535 к первому электрическому контакту 505. Оптическая мода 545 в центре VCSEL взаимодействует со светочувствительным слоем (не показан) и увеличивает проводимость в областях с наибольшей интенсивностью света таким образом, что электрический ток 550 шнуруется посредством светочувствительного слоя. Оптическая мода 545 лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением является, таким образом, самоустанавливающейся в соответствии с электрическим током 550 и наоборот.

Фиг. 11 показывает принципиальное схематическое изображение VCSEL, показанного на фиг. 12, с локальным дефектом 560. Локальный дефект 560 расположен в центре VCSEL. Локальный дефект 560 предотвращает лазерное излучение в этом положении. Типичный VCSEL с апертурой тока может быть заблокирован посредством локального дефекта 560, поскольку электрический ток определяется, главным образом, апертурой тока.

Лазерная мода 545 и электрический ток 550 VCSEL согласно настоящему изобретению могут сдвигаться, например, в правую сторону, таким образом, чтобы лазерный свет излучался рядом с локальным дефектом 560. Таким образом, HBT VCSEL обеспечивает возможность некоторой разновидности свойства саморемонтируемости посредством обеспечения возможности сдвига лазерной моды 545 и электрического тока 550 в положение, в котором резонатор VCSEL функционирует наилучшим образом.

Фиг. 12 показывает принципиальное схематическое изображение первой конструкции лазера, содержащей множество VCSEL с распределенным HBT. Конфигурация единственного VCSEL является практически такой же, как конфигурация четвертого VCSEL, показанного на фиг. 8. На нижней стороне подложки 610 обеспечен первый электрический контакт 605 для обеспечения контакта с множеством VCSEL. На верхней стороне подложки 610 обеспечен общий первый DBR 615 с коэффициентом отражения, большим чем 99,9%. Поверх общего первого DBR 615 обеспечен общий активный слой 620. Общий распределенный HBT 625 обеспечен поверх активного слоя 620. Общий второй DBR 630 обеспечен поверх распределенного HBT 625 с коэффициентом отражения, равным около 95%. Вторые электрические контакты 635 электрически соединены с электропроводящим вторым DBR 630 для обеспечения отдельного электрического соединения каждого VCSEL в устройстве из VCSEL. VCSEL излучают лазерный свет в направлении стрелок через второй DBR 630. Общий первый DBR 615, общий активный слой 620, общий светочувствительный слой 625 и общий второй DBR 630 обеспечены в монолитном устройстве. Общий светочувствительный слой 625 удерживает электрический ток 650 каждого VCSEL так, что оптическая мода каждого VCSEL согласована с соответствующим электрическим током 650. Общий светочувствительный слой 625 даже обеспечивает локальное выключение тока в случае локального дефекта 660. Электрическая проводимость общего светочувствительного слоя 625 будет довольно низкой, ниже такого локального дефекта, поскольку отсутствует свет для открывания HBT.

Фиг. 13 показывает принципиальное схематическое изображение второго лазерного устройства, содержащего VCSEL с распределенным HBT. Конфигурация единственного VCSEL является довольно похожей на конфигурацию пятого VCSEL, показанного на фиг. 9. На нижней стороне общей подложки 710 обеспечен общий первый электрический контакт 705, предназначенный для обеспечения общего контакта для множества VCSEL. Общий первый DBR 715 с коэффициентом отражения, большим чем 99,9%, расположен поверх общей подложки 710. Поверх общего первого DBR 715 обеспечен общий активный слой 720. Общий распределенный HBT 725 обеспечен поверх общего активного слоя 420. Общий второй DBR 730 обеспечен поверх общего распределенного HBT 725 с коэффициентом отражения, равным около 95%. Вторые электрические контакты 435 электрически соединены с общим электропроводящим HBT. Общий второй DBR 730 содержит чередующуюся конструкцию из слоев Nb₂O₅ и SiO_x, которые являются электроизолирующими. Общий второй DBR локально удален для обеспечения возможности доступа ко вторым электрическим контактам 435. VCSEL излучают лазерный свет в направлении стрелки через общий второй DBR 730. Общий первый DBR 715, общий активный слой 720 и общий светочувствительный слой 725 обеспечены в монолитном устройстве. Общий светочувствительный слой 725 удерживает электрический ток 750 каждого VCSEL таким образом, что оптическая мода каждого VCSEL согласована с соответствующим электрическим током 750. Общий светочувствительный слой 725 даже обеспечивает локальное выключение тока в случае локального дефекта 760. Электрическая проводимость общего светочувствительного слоя 725 будет довольно низкой, ниже такого локального дефекта, поскольку нет никакого света для открывания HBT.

Фиг. 14 показывает принципиальное схематическое изображение блок-схемы последовательности операций способа изготовления VCSEL согласно настоящему изобретению. Первый электрический контакт обеспечивают на этапе 710. Первый электрический контакт прикрепляют к нижней стороне подложки из GaAs, которую обеспечивают на этапе 720. Первый DBR обеспечивают на верхней стороне подложки на этапе 730, а активный слой обеспечивают на последующем этапе 740 поверх первого DBR. Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах обеспечивают на этапе 750 поверх активного слоя. Поверх распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах обеспечивают второй DBR на этапе 760. Второй электрический контакт обеспечивают для электрического контакта VCSEL на этапе 770. Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах на этапе 780 располагают так, что между активным слоем и распределенным биполярным фототранзистором на гетеропереходах существует оптическая связь для обеспечения удержания активных носителей посредством распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах так, что оптическая мода лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением является самоустанавливающейся в соответствии с удержанием активных носителей во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением. Устройство распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах может быть выполнено посредством расположения распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах в пределах первого DBR между первым DBR и активным слоем, между активным слоем и вторым DBR или в пределах второго DBR. Кроме того, легирование слоев распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах, толщина слоев распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах или коэффициент усиления по току распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах могут быть предусмотрены для обеспечения оптимизированного самоустановления оптической моды VCSEL.

Слои первого DBR, активного слоя, второго DBR, распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах и любые другие слои, такие как слои инжекции тока и т.п., могут быть осаждены посредством эпитаксиальных способов, таких как MOCVD.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение VCSEL, который может быть легко обработан, посредством устранения оксидирования апертуры тока и, необязательно, меза-травления. Таким образом, обеспечен распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах, который обеспечивает автоматическое выставление электрического тока и оптической моды VCSEL. Автоматическое выставление дополнительно обеспечивает надежность в отношении локальных повреждений, поскольку электрический ток и оптическая мода автоматически адаптируются к условиям лазерного резонатора без удержаний, которые могут быть вызваны апертурой тока. Распределенный HBT дополнительно обеспечивает возможность локального выключения дефектного VCSEL посредством удержания электрического тока через соответствующий VCSEL.

В то время как настоящее изобретение было проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и предшествующем описании, такие иллюстрация и описание должны считаться иллюстративными или примерными, а не ограничивающими.

После прочтения раскрытия сущности настоящего изобретения другие модификации станут понятны специалистам в области техники. Такие модификации могут включать в себя другие признаки, которые уже являются известными в данной области техники и которые могут быть использованы вместо или в дополнение к признакам, уже описанным здесь.

Варианты раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в области техники на основании изучения чертежей, раскрытия сущности настоящего изобретения и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а форма единственного числа не исключает множества элементов или этапов. Тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована для получения преимущества.

Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не должны толковаться в качестве ограничения ее объема.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ:

105, 405, 505, 605, 705 - первый электрический контакт

110, 410, 610, 710 - подложка

115, 415, 615, 715 - первый распределенный брэгговский отражатель

120, 420, 620, 720 - активный слой

125, 425, 625, 725 - распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах

125а - коллекторный слой

125b - первый промежуточный слой

125c - светочувствительный слой

125d - второй промежуточный слой

125e - базовый слой

125f - эмиттерный слой

130, 430, 630, 730 - второй распределенный брэгговский отражатель

135, 435, 535, 635, 735 - второй электрический контакт

140 - область с увеличенным коэффициентом отражения

310 - картина стоячей волны

380 - зона проводимости

385 - уровень Ферми электронов

390 - уровень Ферми дырок

395 - валентная зона

406 - контактирующий слой

545 - оптическая мода

550, 650, 750 - электрический ток

560, 660, 760 - локальный дефект

710 - этап обеспечения первого электрического контакта

720 - этап обеспечения подложки

730 - этап обеспечения первого распределенного брэгговского отражателя

740 - этап обеспечения активного слоя

750 - этап обеспечения распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах

760 - этап обеспечения второго распределенного брэгговского отражателя

770 - этап обеспечения второго электрического контакта

780 - этап расположения распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах

Изобретение относится к лазерной технике. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL) содержит первый электрический контакт, подложку, первый распределенный брэгговский отражатель, активный слой, распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах, второй распределенный брэгговский отражатель и второй электрический контакт. Распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах содержит коллекторный слой, светочувствительный слой, базовый слой и эмиттерный слой. Причем распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах выполнен так, что между активным слоем и распределенным биполярным фототранзистором на гетеропереходах существует оптическая связь для обеспечения удержания активных носителей посредством распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах так, что оптическая мода лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением является самоустанавливающейся в соответствии с удержанием активных носителей во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением. Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения надежности VCSEL. 4 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением, содержащий первый электрический контакт (105, 405, 505, 605, 705), подложку (110, 410, 610, 710), первый распределенный брэгговский отражатель (115, 415, 615, 715), активный слой (120, 420, 620, 720), распределенный биполярный фототранзистор (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах, второй распределенный брэгговский отражатель (130, 430, 630, 730) и второй электрический контакт (135, 435, 535, 635, 735), причем распределенный биполярный фототранзистор (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах содержит коллекторный слой (125a), светочувствительный слой (125c), базовый слой (125e) и эмиттерный слой (125f), причем распределенный биполярный фототранзистор (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах выполнен так, что между активным слоем (120, 420, 620, 720) и распределенным биполярным фототранзистором (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах существует оптическая связь для обеспечения удержания активных носителей посредством распределенного биполярного фототранзистора (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах так, что оптическая мода лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением является самоустанавливающейся в соответствии с удержанием активных носителей во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением, причем концентрация легирующих примесей в коллекторном слое (125а), базовом слое (125е) и эмиттерном слое (125f) меньше 10¹⁹ см^-3 и причем соотношение между электронным током из базового слоя (125е) в эмиттерный слой (125f) и дырочным током из эмиттерного слоя (125f) в коллекторный слой (125а) распределенного биполярного фототранзистора (125) на гетеропереходах составляет по меньшей мере 100.

2. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением по п. 1, причем толщина базового слоя (125е) меньше 100 нм.

3. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением по п. 1, причем распределенный биполярный фототранзистор на гетеропереходах (125, 425, 625, 725) выполнен электропроводящим в отсутствие светового излучения лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением при заданном пороговом напряжении, так что световое излучение лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением может быть инициировано приложением напряжения, большего или равного пороговому напряжению.

4. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением по п. 3, причем пороговое напряжение определяется напряжением пробоя эмиттер-коллектор распределенного биполярного фототранзистора на гетеропереходах (125, 425, 625, 725) и причем напряжение пробоя эмиттер-коллектор меньше или равно 10 В.

5. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением по п. 1, причем первый распределенный брэгговский отражатель (115, 415, 615, 715) или второй распределенный брэгговский отражатель (130, 430, 630, 730) выполнен так, что во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением электрический ток через первый распределенный брэгговский отражатель (115, 415, 615, 715) или второй распределенный брэгговский отражатель (130, 430, 630, 730) отсутствует.

6. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением по п. 1, причем распределенный биполярный фототранзистор (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах расположен между активным слоем (120, 420, 620, 720) и вторым распределенным брэгговским отражателем (130, 430, 630, 730), а коэффициент отражения второго распределенного брэгговского отражателя (130, 430, 630, 730) предусмотрен таким, что во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением лазерный свет излучается через второй распределенный брэгговский отражатель (130, 430, 630, 730).

7. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением по п. 1, причем распределенный биполярный фототранзистор (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах расположен между первым распределенным брэгговским отражателем (115, 415, 615, 715) и активным слоем (120, 420, 620, 720), а коэффициент отражения первого распределенного брэгговского отражателя (115, 415, 615, 715) предусмотрен таким, что во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением лазерный свет излучается через первый распределенный брэгговский отражатель (115, 415, 615, 715).

8. Лазерное устройство, содержащее по меньшей мере два лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением по любому из пп. 1-4, 6 или 7, причем лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением совместно используют первый распределенный брэгговский отражатель (115, 615) и второй распределенный брэгговский отражатель (130, 630) так, что вторые электрические контакты (135, 635) лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением расположены на общей поверхности.

9. Лазерное устройство по п. 8, причем коэффициент отражения второго распределенного брэгговского отражателя (130, 630) локально увеличен в по меньшей мере двух разных областях (140) второго распределенного брэгговского отражателя (130, 630) так, что во время функционирования лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением лазерная генерация начинается в областях (140) с увеличенным коэффициентом отражения.

10. Лазерное устройство по п. 9, причем в областях с увеличенным коэффициентом отражения обеспечена дифракционная решетка так, что обеспечена возможность одномодового излучения с устойчивой поляризацией лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением.

11. Лазерное устройство, содержащее по меньшей мере два лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением по п. 7, причем лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением совместно используют распределенный биполярный фототранзистор (725) на гетеропереходах.

12. Способ изготовления лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением, содержащий этапы:

- обеспечение первого электрического контакта (105, 405, 505, 605, 705),

- обеспечение подложки (110, 410, 610, 710),

- обеспечение первого распределенного брэгговского отражателя (115, 415, 615, 715),

- обеспечение активного слоя (120, 420, 620, 720),

- обеспечение распределенного биполярного фототранзистора (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах, содержащего коллекторный слой (125а), светочувствительный слой (125с) квантовых ям, базовый слой (125е) и эмиттерный слой (125f), причем концентрация легирующих примесей в коллекторном слое (125а), базовом слое (125е) и эмиттерном слое (125f) меньше 10¹⁹ см^-3,

- обеспечение второго распределенного брэгговского отражателя (130, 430, 630, 730),

- обеспечение второго электрического контакта (135, 435, 535, 635, 735),

- выполнение распределенного биполярного фототранзистора (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах так, что между активным слоем (120, 420, 620, 720) и распределенным биполярным фототранзистором (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах существует оптическая связь для обеспечения удержания активных носителей посредством распределенного биполярного фототранзистора (125, 425, 625, 725) на гетеропереходах так, что оптическая мода лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением является самоустанавливающейся в соответствии с удержанием активных носителей во время функционирования лазера с вертикальным резонатором и поверхностным излучением, и обеспечение соотношения между электронным током из базового слоя (125е) в эмиттерный слой (125f) и дырочным током из эмиттерного слоя (125f) в коллекторный слой (125a) распределенного биполярного фототранзистора (125) на гетеропереходах таким, что оно составляет по меньшей мере 100.