DE102005010933A1

DE102005010933A1 - Oberflächenemittierender Vertikalresonatorlaser (VCSEL) mit hoher thermischer Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE102005010933A1
Application number: DE102005010933A
Authority: DE
Inventors: Yoon K. Song; Michael H. Mountain View Leary; Michael R.T. Menlo Park Tan
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: CN100574026C; US20060274805A1; US7372886B2; US20050271113A1; JP2005354061A; DE102005010933B4; JP5063869B2; CN1707889A

Abstract

Eine Lichterzeugungsvorrichtung, wie beispielsweise ein VCSEL, umfasst eine Lichterzeugungsschicht, einen oberen Reflektor, einen unteren Reflektor und eine Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit (HTC-Schicht; HTC = high thermal conductivity) zwischen der Lichterzeugungsschicht und dem unteren Reflektor. Die Lichterzeugungsschicht ist angebracht, um Licht zu erzeugen, das eine erste Wellenlänge aufweist. Wärme, die bei der Lichterzeugungsschicht erzeugt wird, wird aufgrund des Vorhandenseins der HTC-Schicht effizienter dissipiert. Alternativ umfasst eine Lichterzeugungsvorrichtung, wie beispielsweise eine VCSEL, eine Lichterzeugungsschicht, einen oberen Reflektor und einen unteren Reflektor mit hoher thermischer Leitfähigkeit (unterer HTC-Reflektor). Wärme, die bei der Lichterzeugungsschicht erzeugt wird, wird aufgrund der Tatsache effizienter dissipiert, dass der untere Reflektor ein HTC-DBR-Reflektor ist, der einen niedrigeren spezifischeren thermischen Widerstand als ein herkömmlicher DBR-Reflektor aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Laser und insbesondere auf einen verbesserten oberflächenemittierenden Vertikalresonatorlaser.

Licht emittierende Vorrichtungen, wie beispielsweise Laser werden zunehmend bei einer Vielfalt von Anwendungen verwendet, wie beispielsweise Kommunikations- und Datenspeichervorrichtungen. Ein Typ eines Lasers ist der Oberflächenemissions-Vertikalresonatorlaser (VCSEL = vertical cavity surface emission laser). 1 stellt eine weggeschnittene Seitenansicht eines beispielhaften VCSEL 10 des Stands der Technik dar. Der beispielhafte VCSEL 10 ist ein herkömmlicher oxideingegrenzter, oben emittierender VCSEL 10. Der VCSEL 10 umfasst einen oberen Reflektor 20 und einen unteren Reflektor 30, die eine aktive Region 40 zwischen denselben anordnen. Die Reflektoren 20 und 30 und die aktive Region 40 sind auf einem Substrat 50 gefertigt. Eine untere Elektrode 52 ist mit dem Substrat verbunden, während eine obere Elektrode 54 mit dem oberen Reflektor 20 verbunden ist.

Das Substrat 50 kann n-Typ-Galliumarsenid (GaAs) sein, das mit Silizium dotiert ist. Die untere Elektrode 52 bildet einen ohmischen Kontakt mit dem Substrat 50 und ist typischerweise aus einem elektrisch leitfähigen Metall hergestellt, wie beispielsweise einer Gold-Germanium-Legierung (AuGe-Legierung).

Die aktive Region 40 umfasst eine Lichterzeugungsschicht 42, die typischerweise aus einer oder mehreren Quantenmulden aus InGaAs (Indium-Galliumarsenid), GaAs (Galliumarsenid), AlGaAs (Aluminium-Galliumarsenid) oder InAlGaAs (In dium-Aluminium-Galliumarsenid) aufgebaut ist. Die Lichterzeugungsschicht 42 ist von dem oberen Reflektor 20 durch einen oberen Abstandhalter 44 getrennt und ist von dem unteren Reflektor 30 durch einen unteren Abschnitthalter 46 getrennt. Die Lichterzeugungsschicht 42 ist konfiguriert, um Licht zu erzeugen, das eine vorbestimmte oder bekannte Wellenlänge aufweist. Die vorbestimmte Wellenlänge kann breit variieren, zum Beispiel innerhalb eines Bereichs von näherungsweise 650 Nanometern (nm) bis näherungsweise 1400 Nanometern. Die Abstandhalterschichten 44 und 46 können unter Verwendung von beispielsweise AlGaAs gefertigt sein.

Die aktive Region 40 ist zwischen dem oberen Reflektor 20 und dem unteren Reflektor 30 angeordnet. Der obere Reflektor 20 und der untere Reflektor 30 sind Verteilte-Bragg-Reflektoren (DBR = distributed Bragg reflectors), die abwechselnde viertelwellenlängendicke Schichten aus Materialien umfassen, die einen unterschiedlichen optischen Brechungsindex aufweisen, wie beispielsweise AlAs, GaAs oder AlGaAs mit unterschiedlichen Verhältnissen von Aluminium und Gallium. Aus diesen Grund werden der obere und der untere Reflektor 20 und 30 auch als DBR-Spiegel 20 und 30 bezeichnet.

Herkömmlicherweise weist jede Schicht der DBR-Spiegel 20 und 30 eine Dicke auf, die ein Viertel (1/4) einer Wellenlänge des Lichts ist, das durch die aktive Region 40 erzeugt wird. Für eine Einfachheit sind lediglich acht Schichten (vier Paare von Schichten) in 1 für jeden der DBR-Spiegel 20 und 30 dargestellt. Bei tatsächlichen Implementierungen kann jeder der DBR-Spiegel 20 und 30 viel mehr Schichten umfassen, wie beispielsweise 20 und 30 Paare von Schichten.

Um die optische Verstärkung zu erzeugen, die benötigt wird, damit ein Halbleiterlaser wirksam ist, ist die aktive Region 40 aus einem p-n-Übergang gebildet und ein elektrischer Strom wird in denselben injiziert. Um den Fluss von elekt rischem Strom durch den VCSEL 10 zu erleichtern, sind die DBR-Spiegel 20 und 30 mit sorgfältig entworfenen Profilen von n- oder p-Typ-Dotiermitteln dotiert, um sowohl die Vollvolumenmaterialleitfähigkeit zu verbessern als auch um den Spannungsabfall über die vielen Heterobarrieren zu minimieren, die bei den Schnittstellen bzw. Grenzflächen zwischen den abwechselnden Viertelwellenschichten gebildet sind.

Während die Wärme, die aufgrund eines Volumenwiderstandswerts und eines Heterobarrierenspannungsabfalls bei den leitenden DBR-Spiegeln erzeugt wird, durch einen sorgfältigen Entwurf des Dotierungsprofils gemäßigt werden kann, ist die Wärme, die bei dem p-n-Übergang der aktiven Region erzeugt wird, intrinsisch für den Betrieb der Vorrichtung und kann nicht vollständig eliminiert werden. Normalerweise ist ein DBR-Spiegel n-Typ-dotiert und der andere p-Typ-dotiert, wobei der p-n-Übergang und die zugeordnete Wärmedissipation desselben in der aktiven Region 40 gebildet wird. Der obere DBR-Spiegel 20 kann zum Beispiel p-dotierte GaAs-, AlAs- oder AlGaAs-Schichten umfassen, während der untere DBR-Spiegel 30 n-dotierte GaAs-, AlAs- oder AlGaAs-Schichten umfasst. Der n-Dotiermittel kann Silizium sein und das p-Dotiermittel kann Kohlenstoff sein.

Bei dem vorliegenden beispielhaften VCSEL 10 sind die Schichten des oberen Reflektors 20 als p-Typ-Halbleiter dotiert und sind die Schichten des unteren Reflektors 30 als n-Typ-Halbleiter dotiert. Das Substrat 50 ist dotiert, um einen n-Typ-Kontakt zu erzeugen.

Der VCSEL 10 einer derartigen Struktur und die Operationen desselben sind auf dem Gebiet bekannt. Um ein Laserlicht (eine Laserwirkung) zu erzeugen, wird ein elektrischer Strom über die Elektroden 52 und 54 in den VCSEL 10 eingebracht. Wenn der Strom durch die aktive Region 40 fließt, werden Photonen (Lichtpartikel) durch die Quantenmulden der Lichterzeugungsschicht 42 erzeugt. Bei einem ausreichenden Strom durch die aktive Region 40 wird eine optische Verstärkung erzeugt, die das Licht kohärent verstärkt, das zwischen den DBR-Spiegeln 20 und 30 hin und her reflektiert. Ein Teil des Lichts wird durch die DBR-Spiegel 20 und 30 durchgelassen und eine Öffnung 56 in dem oberen elektrischen Kontakt wird typischerweise eingesetzt, um das durchgelassene Licht aus der Vorrichtung 10 zu lassen. Dieses entweichende Licht ist durch einen Pfeil 58 angegeben.

Es wird häufig eine Stromeingrenzungsbarriere 60 verwendet, um den elektrischen Strom im Allgemeinen zu der Mitte der aktiven Region 40 hin zu richten. Wenn dieselbe verwendet wird, isoliert die Stromeingrenzungsbarriere 60 alles außer einem kreisförmigen oder polygonal geformten Bereich (aus einer oberen Perspektive, nicht gezeigt), der einen Durchmesser aufweist, der typischerweise der Kontaktöffnungsbreite 57 ähnlich oder kleiner als dieselbe ist. Weil das meiste des elektrischen Stroms zu einem Abschnitt 43 der Lichterzeugungsschicht 42 hin gerichtet ist, wird das meiste des Lichts innerhalb dieses Abschnitts 43 erzeugt, der hierin als der aktive Abschnitt 43 bezeichnet wird.

Um mehr Licht von dem VCSEL 10 zu erzeugen, wird mehr Strom an den VCSEL 10 angelegt. Ein erhöhter Strom resultiert nicht nur in mehr Licht sondern auch in mehr Wärme, die bei der aktiven Region 40 erzeugt wird. Die Wärme beeinflusst den VCSEL 10 nachteilig, wobei die Menge an Licht begrenzt wird, die durch den VCSEL 10 erzeugt werden kann.

Eine überschüssige Wärme bei einem VCSEL 10 weist eine Anzahl von nachteiligen Wirkungen auf, einschließlich einer Wellenlängenverschiebung, einer Verstärkungsreduzierung, einer erhöhten Absorption, einer Brechungsindexverschiebung und eines zugeordneten optischen Verlusts und DBR-Spiegel-Reflexionsvermögensänderungen, eines Leckstroms, einer thermischen Linsenbildung und einer reduzierten Effizienz. Eine Kombination dieser Wirkungen und die räumliche Variation derselben begrenzt letztendlich die Maximalleistung, die maximale Einzel-Lateral-Mode-Leistung, die maximale Modulationsbandbreite und die maximale Effizienz, die der VCSEL 10 erreichen kann. Ferner sind alle diese Parameter von kommerzieller Bedeutung. Zum Beispiel könnten VCSELs mit langer Wellenlänge (1300 nm Wellenlänge von emittiertem Licht), kommerziell lukrativ als Lichtquellen bei optischen Kommunikationsverbindungen sein, die bei sehr hohen Bitraten über Metrobereichsverbindungslängen von 10 Kilometern (km) oder mehr laufen, aber eine Wärmeerzeugung bei dem VCSELs macht es sehr herausfordernd, simultan die Anforderungen einer Modulationsgeschwindigkeit, einer optischen Leistung und einer optischen Einzelmode-Leistung derartiger Verbindungen einzuhalten.

2 stellt eine Lateraltemperaturverteilungskurve 70 entlang der aktiven Region 40 ähnlich Ergebnissen dar, die durch eine detaillierte Finites-Element-Modelierung erhalten werden. Hier stellt ein Schichtintervall 42i das Ausmaß der Lichterzeugungsschicht 42 des VCSEL 10 von 1 dar und entspricht demselben und ein aktives Intervall 42i stellt das Ausmaß des aktiven Abschnitts 43 der Lichterzeugungsschicht 42, wo die meisten Photonen erzeugt werden, dar und entspricht demselben. Wie es in 2 dargestellt ist, ist die Temperatur bei dem aktiven Intervall 43i am höchsten und die Temperatur fällt bei den Kanten des aktiven Intervalls 43i stark ab. Eine Temperaturdifferenz 72 zwischen der Temperatur bei dem aktiven Intervall 43i und der Temperatur außerhalb des aktiven Intervalls 43i ist relativ groß. Die Lateraltemperaturverteilungskurve 70 lässt darauf schließen, dass eine Wärme wirksam innerhalb des aktiven Abschnitts 43 des VCSEL 10 eingefangen ist und nicht wirksam verteilt oder dissipiert wird, wodurch die Wärmeprobleme des VCSEL 10 von 1 verschärft werden.

Die Wärme ist innerhalb des aktiven Abschnitts 43 hauptsächlich aufgrund der normalerweise gegenläufigen Anforderungen eines hohen optischen Kontrasts, einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und einer hohen thermischen Leitfä higkeit der DBR-Spiegel 20 und 30 eingefangen. Die DBR-Spiegel sind typischerweise für einen hohen optischen Kontrast und einen niedrigen elektrischen Verlust entworfen. Ferner weisen DBR-Spiegel normalerweise eine relativ schlechte thermische Leitfähigkeit auf, was darin resultiert, dass Wärme, die in dem aktiven Abschnitt 43 erzeugt wird, eingefangen ist und hohe Spitzentemperaturen bildet, wie es in der Kurve 70 von 2 dargestellt ist. Die hohe Spitzentemperatur verschärft nicht nur Probleme, die einem Überhitzen zugeordnet sind, wie beispielsweise eine begrenzte Effizienz, sondern die schmale räumliche Verteilung, die durch die Wärmeeingrenzung bewirkt wird, verschärft Probleme, die der lateralen Wärmeverteilung zugeordnet sind, wie beispielsweise eine thermische Linsenbildung.

Folglich bleibt ein Bedarf nach einem verbesserten Laser mit verbesserten Wärmedissipationscharakteristika bestehen, wobei so die nachteiligen Wirkungen erleichtert oder eliminiert werden, die eine Wärme auf die Licht emittierende Vorrichtung aufweist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichterzeugungsvorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Lichterzeugungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 und Anspruch 8 gelöst.

Dem Bedarf wird durch die vorliegende Erfindung begegnet. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Lichterzeugungsvorrichtung eine Lichterzeugungsschicht, einen oberen Reflektor, einen unteren Reflektor und zumindest eine Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit (HTC-Schicht HTC = high thermal conductivity) dazwischen. Die HTC-Schicht kann zwischen der Lichterzeugungsschicht und dem unteren Reflektor, zwischen der Lichterzeugungsschicht und dem oberen Reflektor oder beiden platziert sein. Die Lichterzeugungsschicht ist angepasst, um Licht zu erzeugen, das eine erste Wellenlänge aufweist. Wärme, die bei der Lichterzeugungsschicht erzeugt wird, wird aufgrund des Vorhandenseins der HTC-Schicht effizienter dissipiert.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst eine Lichterzeugungsvorrichtung eine Lichterzeugungsschicht, einen oberen Reflektor und einen unteren Reflektor mit hoher thermischer Leitfähigkeit (HTC-Reflektor; HTC = high thermal conductivity). Die Lichterzeugungsschicht ist angepasst, um Licht zu erzeugen, dass eine bekannte Wellenlänge aufweist. Wärme, die bei der Lichterzeugungsschicht erzeugt wird, wird aufgrund der Tatsache effizienter dissipiert, dass der untere Reflektor ein HTC-Reflektor ist.

Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich, die durch ein Beispiel die Prinzipien der Erfindung darstellen. Es zeigen:
1 eine weggeschnittene Seitenansicht eines beispielhaften VCSEL des Stands der Technik;
2 eine Lateraltemperaturverteilungskurve entlang einem Abschnitt des VCSEL von 1;
3 eine Kurve eines spezifischen thermischen Widerstands, die einen näherungsweisen spezifischen thermischen Widerstand von variierenden Zusammensetzungen aus Al_XGa_(1–X)As darstellt;
4 ein Ausführungsbeispiel einer Lichterzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
5 eine Lateraltemperaturverteilungskurve entlang einem Abschnitt des VCSEL 100 von 4;
6, 7A, 7B und 8A andere Ausführungsbeispiele einer Lichterzeugungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung; und
8B und 8C alternative Ausführungsbeispiele eines Abschnitts der Lichterzeugungsvorrichtung von 8A.
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf 1 bis 8C beschrieben, die verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen. In den Figuren können einige Größen von Strukturen oder Abschnitten relativ zu Größen anderer Strukturen oder Abschnitte für darstellende Zwecke übertrieben sein und sind somit vorgesehen, um die allgemeinen Strukturen der vorliegenden Erfindung darzustellen. Ferner sind verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf eine Struktur oder einen Abschnitt beschrieben, der oder die „über" oder „oberhalb" relativ zu anderen Strukturen, Abschnitten oder beidem positioniert ist. Wie es Fachleuten auf dem Gebiet ersichtlich ist, werden relative Ausdrücke und Wendungen, wie beispielsweise „über" oder „oberhalb" hierin verwendet, um das Verhältnis einer Struktur oder eines Abschnitts zu einer anderen Struktur oder einem anderen Abschnitt zu beschreiben, wie es in den Figuren dargestellt ist. Es ist klar, dass derartige relative Ausdrücke unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung zusätzlich zu der Ausrichtung, die in den Figuren gezeigt ist, einschließen sollen. Falls zum Beispiel die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, gedreht wird oder beides, wäre die Struktur oder der Abschnitt, die oder der als „über" oder „oberhalb" anderer Strukturen oder Abschnitte beschrieben ist, nun „unter" oder „unterhalb" der anderen Strukturen oder Abschnitte ausgerichtet. Gleiche Zahlen beziehen sich durchweg auf gleiche Elemente.
Wie es in den Figuren zu Darstellungszwecken gezeigt ist, sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung durch eine Lichterzeugungsvorrichtung veranschaulicht, die eine Lichterzeugungsschicht, die angepasst ist, um Licht zu erzeugen, das eine bekannte Wellenlänge aufweist, einen oberen Reflektor über der Lichterzeugungsschicht, einen unteren Reflektor unter der Lichterzeugungsschicht und zumindest eine Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit (HTC-Schicht) dazwischen aufweist. Die HTC-Schicht kann zwischen der Lichterzeugungsschicht und dem unteren Reflektor, zwischen der Lichterzeugungsschicht und dem oberen Reflektor oder beidem platziert sein. Wärme, die bei der Lichterzeugungsschicht erzeugt wird, wird aufgrund des Vorhandenseins der HTC-Schicht effizienter dissipiert. Die HTC-Schicht ist aus einem Material hergestellt, das eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit verglichen mit dem oberen und dem unteren Reflektor aufweist. Bei diesem Entwurf wird die Wärme, die bei der Lichterzeugungsschicht erzeugt wird, effizienter abgeführt und dissipiert.
Die vorliegende Erfindung basiert teilweise auf der Erkenntnis, dass eine Platzierung von Material, das eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, nahe der Lichterzeugungsschicht bei einer Wärmedissipation helfen würde. Ein derartiges Material muss jedoch eine Anzahl anderer Anforderungen erfüllen, wie beispielsweise eine hohe optische Transparenz, einen annehmbaren Pegel einer elektrischen Leitfähigkeit und eine einfache Fertigung unter Verwendung bekannter Prozesse.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 sind, um das erwünschte Reflexionsvermögen zu erreichen, der obere und der untere Reflektor 20 und 30 typischerweise unter Verwendung von Paaren von Schichten aufgebaut, wobei jedes Paar eine erste Schicht einer ersten Zusammensetzung von Al_XGa_(1–X)As und eine zweite Schicht einer zweiten Zusammensetzung von Al_XGa_(1–X)As aufweist. Die erste Schicht und die zweite Schicht weisen voneinander unterschiedliche Brechungsindizes auf. Die Dicke jeder Schicht ist ein Viertel der Wellenlänge des erzeugten Lichts. Die Schichten bilden zusammen Bragg-Reflektoren. Die Schichten sind typischerweise aus gepaarten Schichten aus AlAs, GaAs oder variierenden Zusammensetzungen von AlGaAs aufgebaut.
Die variierenden Zusammensetzungen von AlGaAs sind häufig in der folgenden Beziehung ausgedrückt: AlXGa(1–X)Aswobei X ein Zusammensetzungsverhältnis von Aluminium und Gallium ist. Wenn zum Beispiel X Null ist, dann gibt es kein Aluminium in der Zusammensetzung und die Zusammensetzung reduziert sich auf GaAs. Wenn X Eins (1) ist, gibt es kein Gallium in der Zusammensetzung und die Zusammensetzung reduziert sich auf AlAs. Wenn X zum Beispiel 0,3 ist, dann kann die Zusammensetzung ausgedrückt werden als Al_(0,3)Ga_(0,7)As. In 1 ist das Paaren der Schichten unter Verwendung eines einzigen Paars 32 von Schichten innerhalb des unteren Reflektors 30 dargestellt. Das Paar 32 von Schichten umfasst eine erste Schicht 31 Al_(0,2)Ga_(0,8) (mit einem Zusammensetzungsverhältnis von 0,2) und eine zweite Schicht 33 Al_(0,9)Ga_(0,1) (mit dem Zusammensetzungsverhältnis von 0,9).
Aufgrund des unterschiedlichen Verhältnisses von Aluminium und Gallium weist jede dieser Schichten einen optischen Brechungsindex und eine thermische Leitfähigkeit auf, die sich von der anderen Schicht unterscheidet. 3 stellt eine Kurve 80 eines spezifischen thermischen Widerstands dar, die einen näherungsweisen spezifischen thermischen Widerstand von variierender Zusammensetzung von Al_XGa_(1–X)As darstellt. Ein spezifischer thermischer Widerstand ist invers zu einer thermischen Leitfähigkeit. In 3 stellt eine horizontale Achse (x-Achse) das Zusammensetzungsverhältnis von Aluminium (X) dar und eine vertikale Achse (y-Achse) stellt den spezifischen thermischen Widerstand in Zentimeter-Grad Kelvin pro Watt (cm·K/W) dar. Eine einen Zentimeter (cm) dicke Materialschicht mit einem spezifischen thermischen Widerstand von einem cm·K/W würde einen Wärmefluss von einem Watt benötigen, um einen Temperaturunterschied von einem Grad Kelvin zwischen den zwei Seiten zu halten.
Unter Bezugnahem auf 1 und 2, wie es durch die Kurve 80 eines spezifischen thermischen Widerstands dargestellt ist, weist die erste Schicht 31 Al_(0,2)Ga_(0,8)As bei einem Zusammensetzungsverhältnis von 0,2 einen näherungsweisen spezifischen thermischen Widerstand von etwas über 6,0 cm K/W auf, wie es durch ein Bezugszeichen 31r angegeben ist. Bei einem Zusammensetzungsverhältnis von 0,9 weist die zweite Schicht 33 Al_(0,9)GA_(0,1)As einen näherungsweisen spezifischen thermischen Widerstand von 4,0 cm K/W auf, wie es durch ein Bezugszeichen 33r angegeben ist.
Wie es durch die Kurve 80 eines spezifischen thermischen Widerstands angegeben ist, ist bei einer Zusammensetzung Al_XGa_(1–X)As ein thermischer Widerstandswert am niedrigsten (somit ist die thermische Leitfähigkeit am höchsten), wenn das Zusammensetzungsverhältnis X gleich eins (1) ist. Wenn das Zusammensetzungsverhältnis X eins ist, reduziert sich die Zusammensetzung Al_XGa_(1–X)As auf AlAs, das einen relativ niedrigen thermischen Widerstandswert (hohe thermische Leitfähigkeit) von näherungsweise einem cm K/W aufweist, wie es durch ein Bezugszeichen 82 in 3 dargestellt ist. Das heißt, AlAs weist eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit, einen annehmbaren Pegel einer optischen Klarheit und einer elektrischen Leitfähigkeit auf und ist relativ einfach unter Verwendung bekannter Prozesse zu fertigen. Folglich kann eine AlAs-Schicht als eine Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit (HTC-Schicht) nahe der Lichterzeugungsvorrichtung 40 verwendet werden.
4 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Lichterzeugungsvorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung dar, wie beispielsweise einen VCSEL 100. Der VCSEL 100 von 4 umfasst viele Abschnitte, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 10 von 1 sind. Für eine Zweckmäßigkeit sind Abschnitten des VCSEL 100 von 4, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 10 von 1 sind, die gleichen Bezugszeichen zugewiesen und sind unterschiedlichen Abschnitten unterschiedlichen Bezugszeichen zugewiesen. Um ein Wirrwarr zu vermeiden, sind nicht alle Bezugszeichen, die für den VCSEL 10 von 1 dargestellt sind, für den VCSEL 100 von 4 wiedergegeben, obwohl entsprechende Abschnitte in 1 dargestellt sind.
Unter Bezugnahme auf 4 umfasst der VCSEL 100 eine Lichterzeugungsschicht 40, die angepasst ist, um Licht zu erzeugen, das eine erste bekannte Wellenlänge aufweist. Die Lichterzeugungsschicht 40 erzeugt zum Beispiel Licht, das eine Wellenlänge von näherungsweise 1,3 Mikrometern aufweist. Die Lichterzeugungsschicht 40 ist zwischen einem oberen Reflektor 20 über der Lichterzeugungsschicht 40 und einem unteren Reflektor 30 unter der Lichterzeugungsschicht 40 angeordnet. Um eine Dissipation von Wärme zu erleichtern, die durch die Lichterzeugungsschicht 40 erzeugt wird, ist eine Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit (HTC-Schicht) 102 zwischen der Lichterzeugungsschicht 40 und einem der Reflektoren 20 oder 30 gefertigt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die HTC-Schicht 102 zum Beispiel zwischen der Lichterzeugungsschicht 40 und dem unteren Reflektor 30 platziert. Es ist ferner klar, dass die HTC-Schicht 102 auch zwischen der Lichterzeugungsschicht 40 und dem oberen Reflektor 20 platziert sein kann.
Wie bei dem VCSEL 10 von 1, ist der VCSEL 100 von 4 über einem Substrat 50 gefertigt. Elektroden 52 und 54 stellen eine Verbindung mit dem Substrat 50 bzw. dem oberen Reflektor 20 her, um elektrische Kontakte bereitzustellen. Der obere Reflektor 20 und der untere Reflektor 30 sind verteilte Bragg-Reflektoren (DBR), die durch ein Wiederholen abwechselnder Schichten oder von Paaren von Schichten gebildet sind, wobei jede Schicht des Paares einen unterschiedlichen Brechungsindex verglichen mit anderen Schich ten des Paars aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der untere DBR-Spiegel 20 wiederum mit einem p-Typ-Dotiermittel dotiert und der untere DBR-Spiegel 30 ist einem n-Typ-Dotiermittel dotiert.
Die HTC-Schicht 102 weist eine hohe optische Transparenz auf und weist eine relativ höhere thermische Leitfähigkeit (oder einen niedrigeren thermischen Widerstandswert) verglichen mit der thermischen Leitfähigkeit der Reflektoren 20 und 30 auf. Außerdem befindet sich hier die HTC-Schicht 102 in einem thermischen Kontakt mit der Lichterzeugungsschicht 40, wo die meiste Wärme direkt erzeugt wird. Deshalb erleichtert die HTC-Schicht 102 die Entfernung und Dissipation von Wärme von der Lichterzeugungsschicht 40. Eine Dicke 104 der HTC-Schicht 102 kann abhängig von einer Anwendung breit schwanken und ist typischerweise ein ganzzahliges Vielfaches der Hälte einer Wellenlänge dick.
Eine Halbwellenschicht verhält sich optisch beinahe so als ob dieselbe überhaupt nicht vorhanden wäre. Folglich fügt eine Einbringung einer Halbwellen-HTC-Schicht in eine VCSEL-Struktur die Vorzüge der HTC bei geringen optischen Nebenwirkungen hinzu. Halbwellenschichten weisen den weiteren Vorteil dahingehend auf, dass die optischen Eigenschaften derselben nicht davon abhängen, ob das umgebende Material einen höheren oder einen niedrigeren Brechungsindex aufweist. Eine Viertelwellenschicht, wie dieselbe beispielsweise bei dem DBRs zu finden ist, ist optisch reflektierend und das Verhalten derselben hängt von dem umgebenden Material ab. Viertelwellenschichten könnten für die HTC-Schicht der vorliegenden Erfindung verwendet werden, aber die zusätzliche Flexibilität der Halbwellenschicht macht dieselbe zu dieser Zeit zu einer relativ wahrscheinlicheren Wahl für die vorliegende Erfindung.
Bei einer Wellenlänge von zum Beispiel 1,3 Mikrometern kann die HTC-Schicht 102 nur 0,1 Mikrometer dünn oder mehrere Mikrometer oder mehr dick sein. Dickere HTC-Schichten sind wirksamer bei einer Wärmeentfernung, aber bewirken auch ein größeres Hohlraum-Mode-Volumen, was die maximale Modulationsgeschwindigkeit oder Effizienz des VCSEL in manchen Fällen reduzieren kann. Somit wäre die optimale Dicke 104 der HTC-Schicht 102 durch die detaillierten Anforderungen des speziellen VCSEL-Entwurfs und einer Anwendung bestimmt. Die HTC-Schicht 102 kann unter Verwendung irgendeines geeigneten Materials gefertigt sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die HTC-Schicht 102 unter Verwendung von Aluminiumarsenid gefertigt, das eine relativ hohe thermische Leitfähigkeit aufweist, wie es oben erörtert und mit Bezug auf 3 dargestellt ist.
5 stellt eine Lateraltemperaturverteilungskurve 110 entlang der aktiven Region 40 des VCSEL 100 von 4 dar. Hier stellt ein Schichtintervall 42i die Erstreckung der Lichterzeugungsschicht 42 (des VCSEL 100 von 4) dar und entspricht derselben und das aktive Intervall 43i stellt die Erstreckung des aktiven Abschnitts 43 der Lichterzeugungsschicht 42 (des VCSEL 100 von 4) dar und entspricht derselben, wo die meisten Photonen erzeugt werden.
Die Lateraltemperaturverteilungskurve 70 von 2 ist in 5 zum Vergleich mit der Lateraltemperaturverteilungskurve 110 wiedergegeben.
Bei der Lateraltemperaturverteilungskurve 110 ist wie erwartet eine Temperatur bei dem aktiven Intervall 43i am höchsten und die Temperatur fällt bei den Kanten des aktiven Intervalls 43i ab. Die höchste Temperatur, die durch die Temperaturverteilungskurve 110 gezeigt ist, ist jedoch niedriger als die höchste Temperatur, die durch die Temperaturverteilungskurve 70 gezeigt ist, wodurch angegeben wird, dass der aktive Abschnitt 43 des VCSEL 100 von 4 kühler läuft als der entsprechende aktive Abschnitt 43 des VCSEL 10 von 1.
Ferner ist die Temperaturdifferenz 112 (bei der Kurve 110) zwischen der Temperatur bei dem aktiven Intervall 43i und der Temperatur außerhalb des aktiven Intervalls 43i relativ kleiner als die Temperaturdifferenz 72 bei der Kurve 70. Ferner ist der Temperaturübergang von dem aktiven Intervall 43i zu der Temperatur außerhalb des aktiven Intervalls 43i bei der Kurve 110 glatter verglichen mit dem entsprechenden Temperaturabfall bei der Kurve 70.
Diese Beobachtungen legen nahe, dass die HTC-Schicht 102 des VCSEL 100 bei einer Dissipation von Wärme hilft, die innerhalb der Lichterzeugungsschicht 40 erzeugt wird, was ermöglicht, dass der VCSEL 100 (von 4) kühler wirksam ist, wodurch die Probleme erleichtert oder eliminiert werden, die hohen Temperaturen und hohen Temperaturgradienten innerhalb der Lichterzeugungsschicht 40 des VCSEL 10 (von 1) zugeordnet sind.
Zusätzlich zu den Anforderungen für ein hohes Reflexionsvermögen und eine optische Transparenz ist der DBR-Spiegel vorzugsweise für einen niedrigen Spannungsabfall entworfen, sodass derselbe während eines Betriebs der Vorrichtung wenig eigene parasitäre Wärme erzeugt. Ein Verfahren zum Verbessern der elektrischen Leitfähigkeit eines DBR-Stapels besteht durch ein Eingliedern eines räumlich variierenden Profils von Dotiermitteln, um einen Stromfluss zu fördern. Ein anderer Ansatz, der normalerweise mit dem ersten kombiniert ist, besteht darin, eine zusammensetzungsmäßig abgestufte Übergangsschicht zwischen jedes Paar von abwechselnden Schichten bei dem DBR-Spiegel einzufügen. Die abgestufte Übergangsschicht dient der Funktion eines Streuens der Bandzwischenraumveränderung über eine finite Strecke, was ermöglicht, dass ein sorgfältig entworfenes Dotiermittelprofil einen Weg geringen elektrischen Widerstandswerts erzeugt. Die abgestuften Schichten sind typischerweise 10 bis 30 Nanometer dick. Die Übergangsschichten mit abgestufter Zusammensetzung sind jedoch notwendigerweise aus Materialzusammensetzungen zwischen derselben der abwechselnden DBR- Schichten gebildet. Mit Bezug auf 3 ist, falls der DBR-Spiegel aus abwechselnden AlGaAs-Schichten gebildet ist, dann ein Bruchteil der Dicke dieser abgestuften Übergangsschichten aus den AlGaAs-Zusammensetzungen mit dem höchsten spezifischen thermischen Widerstandswert gebildet. Somit tragen die abgestuften Schichten zu dem thermischen Widerstandswert des DBR-Spiegels bei.
6 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Lichterzeugungsvorrichtung 100a der vorliegenden Erfindung dar, wie beispielsweise einen VCSEL 100a. Der VCSEL 100a von 6 umfasst viele Abschnitte, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 100 von 4 sind. Für eine Zweckmäßigkeit sind Abschnitten des VCSEL 100a von 6, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 100 von 4 sind, die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, sind ähnlichen aber veränderten Abschnitten die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, die durch den Buchstaben „a" begleitet sind, und unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Bezugszeichen zugewiesen. Um ferner ein Wirrwarr zu vermeiden, sind nicht alle Bezugszeichen, die für den VCSEL 100 von 4 dargestellt sind, für den VCSEL 100a von 6 wiedergegeben, obwohl entsprechende Abschnitte in 4 dargestellt sind.
Mit Bezug auf 6 weist der VCSEL 100a im Wesentlichen die gleiche Struktur wie der VCSEL 100 von 4 auf, außer den folgenden Modifikationen• Erstens umfasst der VCSEL 100a einen nicht dotierten unteren DBR-Spiegel 30a, während der obere DBR-Spiegel 20 desselben mit einem p-Typ-Dotiermittel dotiert ist. Somit fließt der elektrische Strom der oberen Elektrode 54 nach unten durch den p-dotierten DBR-Spiegel 20 und die Lichterzeugungsschicht 40, dann lateral durch eine Kontaktschicht 106 und schließlich aus dem unteren Kontakt 52a.
Die Kontaktschicht 106 kann unter Verwendung irgendeines Materials gefertigt sein, das elektrisch leitfähig und op tisch transparent gemacht werden kann und auf dem eine Lichterzeugung hoher Qualität aufgewachsen oder aufgebracht werden kann. Typische Wahlen umfassen GaAs, AlGaAs, InGaP, InGaAs, InP, AlInGaP oder verwandte Materialien oder Kombinationen dieser Materialien. Die Kontaktschicht kann irgendwo zwischen beispielsweise 10 Nanometern und mehreren Mikrometern dick gemacht sein, obwohl eine typische stark dotierte Kontaktschicht lediglich mehrere zehn Nanometer dick wäre, um optische Verluste zu minimieren, und typischerweise mit einer leichter dotierten Stromstreuungsregion von mehreren hundert Nanometern Dicke kombiniert, die die gesamte Schicht 106 aufweist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die HTC-Schicht 102 auch als eine Stromstreuungsschicht wirken, um die laterale elektrische Leitfähigkeit der Kontaktschicht zu unterstützen. Der untere n-Typ-Kontakt wurde bei dieser Implementierung von dem unteren Ende der Struktur nach oben zu der Kontaktschicht gerade unter der aktiven Region bewegt, um zu ermöglichen, dass der untere DBR-Spiegel undotiert und ungestuft ist. Durch ein Eliminieren des Bedarfs nach abgestuften Schichten bei den Schnittstellen bzw. Grenzflächen der abwechselnden DBR-Schichten kann der Spiegel selbst mit einer viel höheren thermischen Leitfähigkeit hergestellt werden. Ein Entfernen der abgestuften Schichten jedoch würde einen sehr hohen Spannungsabfall bei diesen Schnittstellen und eine entsprechende parasitäre Wärmeerzeugung bewirken, sodass der elektrische Leitungsweg den DBR-Spiegel umgeht, wie es beispielsweise durch die Kontakt- und die Streuungsschicht 106 und 102 bereitgestellt ist. Ferner muss das Substrat 50a nicht wie das Substrat 50 von 1 dotiert sein.
Die Kontaktschicht 106 kann von der Lichterzeugungsschicht 40 unter Verwendung einer Ätzstoppschicht 108 getrennt sein. Die Ätzstoppschicht 108 kann unter Verwendung vieler unterschiedlicher Materialien gefertigt sein, wie beispielsweise InGaAs, InGaP, InP, AlInGaP oder sogar GaAs o der AlAs oder verwandter Materialien. Der Zweck der Ätzstoppschicht besteht darin, eine Verarbeitungsrobustheit zum Entfernen der oberen Schichten 20 und 40 und Stoppen bei präzise der Kontaktschicht 106 hinzuzufügen. Folglich ist die Ätzstoppschicht normalerweise ziemlich dünn, typischerweise lediglich wenige zehn Nanometer dick. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Funktionen der Schichten 108, 106 und 102 zu einer oder zwei Schichten kombiniert sein.
7A stellt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Lichterzeugungsvorrichtung 100b der vorliegenden Erfindung dar, wie beispielsweise einen VCSEL 100b. Der VCSEL 100b von 7A umfasst viele Abschnitte, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 100 von 4 sind. Für eine Zweckmäßigkeit sind Abschnitten des VCSEL 100b von 7A, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 100 von 4 sind, die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, sind ähnlichen aber veränderten Abschnitten die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, die durch den Buchstaben „b" begleitet sind, und sind unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Bezugszeichen zugewiesen. Um ein Wirrwarr zu vermeiden, sind ferner nicht alle Bezugszeichen, die für den VCSEL 100 von 4 dargestellt sind, für den VCSEL 100b von 7A wiedergegeben, obwohl entsprechende Abschnitte in 4 dargestellt sind.
Unter Bezugnahme auf 7A weist der VCSEL 100b im Wesentlichen die gleiche Struktur wie der VCSEL 100 von 4 auf, außer dass bei dem VCSEL 100b die HTC-Schicht 102b desselben zwischen der Lichterzeugungsschicht 40 und dem oberen DBR-Spiegel 20 positioniert ist. Die HTC-Schicht 102b ist aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material hergestellt und weist eine ähnliche Konfiguration und Struktur wie die HTC-Schicht 102 von 4 auf.
7B stellt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Lichterzeugungsvorrichtung 100c der vorliegenden Erfindung dar, wie beispielsweise einen VCSEL 100c. Der VCSEL 100c von 7B umfasst viele Abschnitte, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 100a von 6 und des VCSEL 100b von 7A sind. Für eine Zweckmäßigkeit sind Abschnitten des VCSEL 100b von 7A, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 100a von 6 und/oder des VCSEL 100b von 7A sind, die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, sind ähnlichen aber veränderten Abschnitten die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, die durch den Buchstaben „c" begleitet sind, und sind unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Bezugszeichen zugewiesen. Um ein Wirrwarr zu vermeiden, sind ferner nicht alle Bezugszeichen, die für den VCSEL 100a von 6 und/oder den VCSEL 100b von 7A dargestellt sind, für den VCSEL 100c von 7B wiedergegeben, obwohl entsprechende Abschnitte in 6, 7A oder beiden dargestellt sind.
Mit Bezug auf 7B weist der VCSEL 100c im Wesentlichen die gleiche Struktur wie der VCSEL 100b von 7A auf, außer den folgenden Modifikationen: Erstens umfasst der VCSEL 100c einen nicht dotierten unteren DBR-Spiegel 30a, während der obere DBR-Spiegel 20 desselben mit einem p-Typ-Dotiermittel dotiert ist. Somit fließt der elektrische Strom von der oberen Elektrode 54 durch den p-dotierten DBR-Spiegel 20, die HTC-Schicht 102b, die Lichterzeugungsschicht 40 und eine Kontaktschicht 106, die mit n-Typ-Dotiermitteln dotiert ist. Die Kontaktschicht 106 wäre der entsprechenden Schicht 106 bei dem VCSEL 100a ähnlich und würde eine ähnliche Zusammensetzung und Dicke aufweisen. Die Kontaktschicht 106 ist angepasst, um einen elektronischen Kontakt zwischen einer Elektrode und der Lichterzeugungsschicht 40 bereitzustellen.
Die Kontaktschicht 106 ist typischerweise von der Lichterzeugungsschicht 40 unter Verwendung einer Ätzstoppschicht 108 getrennt. Die Ätzstoppschicht 108 weist ähnliche Eigen schaften wie die entsprechende Schicht bei dem VCSEL 100a von 6 auf.
8A stellt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Lichterzeugungsvorrichtung 100d der vorliegenden Erfindung dar, wie beispielsweise einen VCSEL 100d. Der VCSEL 100d von 8A umfasst viele Abschnitte, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 10 von 1 sind. Für eine Zweckmäßigkeit sind Abschnitten des VCSEL 100d von 8A, die gleich oder ähnlich entsprechenden Abschnitten des VCSEL 10 von 1 sind, die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, sind ähnlichen aber veränderten Abschnitten die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, die durch den Buchstaben „d" begleitet sind, und sind unterschiedlichen Abschnitten unterschiedliche Bezugszeichen zugewiesen. Um ein Wirrwarr zu vermeiden, sind ferner nicht alle Bezugszeichen, die für den VCSEL 10 von 1 dargestellt sind, für den VCSEL 100d von 8A wiedergegeben, obwohl entsprechende Abschnitte in 1 dargestellt sind.
Mit Bezug auf 8A umfasst der VCSEL 100d eine Lichterzeugungsschicht, die angepasst ist, um Licht zu erzeugen, das eine erste bekannte Wellenlänge aufweist. Die Lichterzeugungsschicht 40 zum Beispiel erzeugt Licht, das eine Wellenlänge von näherungsweise 1,3 Mikrometern aufweist. Die Lichterzeugungsschicht 40 ist zwischen einem oberen Reflektor 20 über der Lichterzeugungsschicht 40 und einem unteren Reflektor mit hoher thermischer Leitfähigkeit (einem unteren HTC-Reflektor) 120 unter der Lichterzeugungsschicht 40 angeordnet.
Wie bei dem VCSEL 10 von 1 ist der VCSEL 100d von 8A über einem Substrat 50 gefertigt. Elektroden 52 und 54 stellen eine Verbindung mit dem Substrat 50 bzw. dem oberen Reflektor 20 her, um elektrische Kontakte bereitzustellen. Der obere Reflektor 20 und der untere Reflektor mit hoher thermischer Leitfähigkeit (unterer HTC-Reflektor) 120 sind verteilte Bragg-Reflektoren (DBR), die durch ein Wiederho len abwechselnder Schichten oder von Paaren von Schichten gebildet sind, wobei jede Schicht des Paars einen unterschiedlichen Brechungsindex verglichen mit der anderen Schicht des Paars aufweist. Erneut ist der obere DBR-Spiegel 20 mit einem p-Typ-Dotiermittel dotiert und der untere DBR-Spiegel 30 ist bei diesem Ausführungsbeispiel mit einem n-Typ-Dotiermittel dotiert.
Der obere Reflektor 20 des VCSEL 100d von 8A ist wie der obere Reflektor 20 des VCSEL 10 von 1 konfiguriert. Der untere HTC-Reflektor 120 jedoch umfasst Paare von Schichten, wobei jedes Paar eine erste Schicht mit einer ersten thermischen Leitfähigkeit und einer ersten Dicke und eine zweite Schicht mit einer zweiten thermischen Leitfähigkeit und einer zweiten Dicke aufweist. Der untere HTC-Reflektor 120 umfasst zum Beispiel ein erstes Paar 122 von Schichten.
Das erste Paar 122 von Schichten umfasst eine erste Schicht 121 mit einer ersten thermischen Leitfähigkeit und einer ersten Dicke und eine zweite Schicht 123 mit einer zweiten thermischen Leitfähigkeit und einer zweiten Dicke. Hier kann die erste Schicht 121 zum Beispiel Al_(0,2)Ga_(0,8)As mit einem spezifischen thermischen Widerstand von näherungsweise etwas über sechs cm K/W sein, wie es oben erörtert ist. Die erste Schicht kann eine Dicke aufweisen, die ein ungerades Vielfaches von einem Viertel einer Wellenlänge ist, einschließlich ein Viertel einer Wellenlänge dick ist (einmal ein Viertel einer Wellenlänge). Die zweite Schicht 123 kann zum Beispiel Al_(0,9)Ga_(0,1)As mit einem spezifischen thermischen Widerstand von näherungsweise vier cm K/W sein, wie es zuvor erörtert ist, oder sogar AlAs mit einem spezifischen thermischen Widerstand von näherungsweise 4 cm K/W, wie es in 3 dargestellt ist. Die zweite Schicht kann eine zweite Dicke aufweisen, die ein ungerades Vielfaches von einem Viertel einer Wellenlänge ist, zum Beispiel dreimal ein Viertel einer Wellenlänge dick.
Hier besteht das zugrunde liegende Konzept für einen Entwurf des VCSEL 100d darin, den unteren HTC-Reflektor 120 zu fertigen, derart, dass derselbe einen höheren Anteil eines Materials aufweist, das eine relativ höhere thermische Leitfähigkeit (einen niedrigeren spezifischen thermischen Widerstand) verglichen mit einem Material aufweist, das eine relativ niedrigere thermische Leitfähigkeit (einen höheren spezifischeren thermischen Widerstand) aufweist. Der resultierende untere HTC-Reflektor 120 weist insgesamt eine höhere thermische Leitfähigkeit (einen niedrigeren spezifischen thermischen Widerstand) verglichen mit der thermischen Leitfähigkeit des unteren Reflektors 30 von 1 auf.
Der untere HTC-Reflektor 120 weist einheitliche HTC-Schichtpaare auf. Wie es in 8A dargestellt ist, heißt das, dass jedes Paar von Schichten des unteren HTC-Reflektors 120 ähnlich konfiguriert ist, wobei eine erste Schicht jedes Paars eine viertel Wellenlänge dick ist, wobei eine zweite Schicht jedes Paars ein gleiches ungerades Vielfaches einer viertel Wellenlänge dick ist, zum Beispiel dreimal die viertel Wellenlänge dick.
8B und 8C stellen alternative Ausführungsbeispiele des unteren HTC-Reflektors 120 von 8A als untere HTC-Reflektoren 120b und 120c dar. In 8B umfasst der untere HTC-Reflektor 120b nichteinheitliche HTC-Schichtpaare. Das heißt, wie es in 8B dargestellt ist, ein erstes HTC-Schichtpaar 122 von Schichten des unteren HTC-Reflektors 120b ist wie das erste Paar 122 konfiguriert, das in 8A dargestellt und oben beschrieben ist. Das heißt, das erste Paar 122 von Schichten umfasst eine erste Schicht 121 mit einer ersten thermischen Leitfähigkeit und einer ersten Dicke und eine zweite Schicht 123 mit einer zweiten thermischen Leitfähigkeit und einer zweiten Dicke. Hier kann die erste Schicht 121 zum Beispiel Al_(0,2)Ga_(0,8)As mit einem spezifischen thermischen Widerstand von näherungsweise etwas über sechs cm K/W sein, wie es zuvor erör tert ist. Die erste Schicht kann eine Dicke aufweisen, die ein ungerades Vielfaches einer viertel Wellenlänge ist, einschließlich eine viertel Wellenlänge dick ist (einmal eine viertel Wellenlänge). Die zweite Schicht 123 kann zum Beispiel Al_(0,9)Ga_(0,1)As mit einem spezifischen thermischen Widerstand von näherungsweise vier cm K/W sein, wie es zuvor erörtert ist, oder sogar AlAs mit einem spezifischen thermischen Widerstand von näherungsweise vier cm K/W, wie es in 3 dargestellt ist. Die zweite Schicht kann eine Dicke aufweisen, die ein ungerades Vielfaches einer viertel Wellenlänge ist, zum Beispiel dreimal die viertel Wellenlänge dick.
Der untere HTC-Reflektor 120b umfasst ferner ein zweites HTC-Schichtpaar 32 von Schichten, das ähnlich dem Paar 32 von Schichten des VCSEL 10 von 1 konfiguriert ist. Das zweite Paar 32 von Schichten umfasst eine dritte Schicht 31 mit der gleichen thermischen Leitfähigkeit (erste thermische Leitfähigkeit) und der gleichen Dicke (erste Dicke) wie die erste Schicht 121. Das zweite Paar 32 von Schichten umfasst ferner eine vierte Schicht 33 mit der gleichen thermischen Leitfähigkeit (zweite thermische Leitfähigkeit) wie die zweite Schicht 123 aber mit der gleichen Dicke (erste Dicke) wie die erste Schicht 121.
In 8C umfasst der untere HTC-Reflektor 120c eine andere Konfiguration von nichteinheitlichen HTC-Schichtpaaren. Wie es in 8C dargestellt ist, ist hier ein erstes HTC-Schichtpaar 122 von Schichten des unteren HTC-Reflektors 120c wie das erste Paar 122 konfiguriert, das in 8A dargestellt und oben beschrieben ist. Der untere HTC-Reflektor 120c umfasst ferner ein zweites HTC-Schichtpaar 32, das ähnlich dem Paar 32 von Schichten konfiguriert ist, das in 8B dargestellt und oben beschrieben ist. Der untere HTC-Reflektor 120c umfasst ferner ein drittes HTC-Schichtpaar 126, das eine fünfte Schicht 125 mit der gleichen thermischen Leitfähigkeit (erste thermische Leitfähigkeit) und der gleichen Dicke (erste Dicke) wie die erste Schicht 121 aufweist. Das dritte Paar 126 von Schichten umfasst ferner eine sechste Schicht 127 mit der gleichen thermischen Leitfähigkeit (zweite thermische Leitfähigkeit) wie die zweite Schicht 123 aber mit einer dritten Dicke, die ein ungerades Vielfaches einer viertel Wellenlänge ist, zum Beispiel fünfmal die viertel Wellenlänge dick.
Obwohl die Erörterung auf elektrisch gepumpten Halbleitervertikalresonatorlasern fokussiert war, sind das Konzept und Vorzüge der vorliegenden Erfindung auf eine breitere Weise auf Laser und optische Vorrichtungen anderer Typen anwendbar. Zum Beispiel erzeugen optisch gepumpte Laser normalerweise Wärme in der Lichterzeugungsschicht, was ein Temperaturprofil und einen Wärmefluss sehr ähnlich diesem erzeugt, der für den elektrisch gepumpten VCSEL hier beschrieben ist, und würden von den gleichen Typen von HTC-Schichtkonfigurationen profitieren. Ein zweites Beispiel ist eine Resonanzhohlraum-LED, eine elektrisch gepumpte Halbleitervorrichtung ähnlich einem hier beschriebenen VCSEL, die aber keinen Laserzustand erreicht. Die maximale Ausgangsleistung der Resonanzhohlraum-LED ist jedoch durch eine Wärmeerzeugung sehr wie bei einem VCSEL begrenzt und die Vorrichtung würde auf die gleiche Weise von dem gleichen Typ von HTC-Schichtkonfigurationen, die hierin beschrieben sind, profitieren.
Aus den Vorhergehenden wird ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung neuartig ist und Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bietet. Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung oben beschrieben und dargestellt sind, soll die Erfindung nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen von Teilen begrenzt sein, die so beschrieben und dargestellt sind. Zum Beispiel kann der HTC-Reflektor als der obere Reflektor 20 anstelle oder zusätzlich zu dem unteren HTC-Reflektor 120 gefertigt sein. Ferner können unterschiedliche Materialien anstelle von oder zusätzlich zu verschiedenen Zusammensetzungen von AlGaAs verwendet werden, aber immer noch in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen. Die Erfindung ist durch die folgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

Lichterzeugungsvorrichtung (100), die folgende Merkmale aufweist: eine Lichterzeugungsschicht (40), die angepasst ist, um Licht zu erzeugen, das eine bekannte Wellenlänge aufweist; einen oberen Reflektor (20) über der Lichterzeugungsschicht (40); einen unteren Reflektor (30) unter der Lichterzeugungsschicht (40); und zumindest eine Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit (HTC-Schicht; HTC = high thermal conductivity) (102) und zwischen der Lichterzeugungsschicht (40) und dem unteren Reflektor (30) oder eine Schicht mit hoher thermischer Leitfähigkeit (HTC-Schicht) (102) zwischen der Lichterzeugungsschicht (40) und dem oberen Reflektor (20).
Lichterzeugungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, bei der der obere Reflektor (20) ein verteilter Bragg-Reflektor (DBR = distributed Bragg reflector) ist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die HTC-Schicht (102) ein ganzzahliges Vielfaches von einer halben Wellenlänge dick ist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die HTC-Schicht (102) ein Element aufweist, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumarsenid, Galliumarsenid und Indiumphosphid besteht.
Lichterzeugungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, die ferner eine erste Elektrode, die mit dem oberen Reflektor (20) verbunden ist, und eine zweite Elektrode aufweist, die mit dem unteren Reflektor (30) verbunden ist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die ferner eine Kontaktschicht (106) aufweist, die angepasst ist, um einen elektronischen Kontakt zwischen einer Elektrode (52a) und der Lichterzeugungsschicht (40) bereitzustellen.
Lichterzeugungsvorrichtung (100) gemäß Anspruch 6, die ferner eine Ätzstoppschicht in Verbindung mit der Kontaktschicht (106) aufweist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d), die folgende Merkmale aufweist: eine Lichterzeugungsschicht (40), die angepasst ist, um Licht zu erzeugen, das eine bekannte Wellenlänge aufweist; einen oberen Reflektor (20) über der Lichterzeugungsschicht (40); und einen unteren Reflektor mit hoher thermischer Leitfähigkeit (unterer HTC-Reflektor) (30a) unter der Lichterzeugungsschicht (40).
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 8, bei der der untere HTC-Reflektor zumindest ein Verteilter-Bragg-Reflektor-Schichtpaar (DBR-Schichtpaar) aufweist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 9, bei der die Verteilter-Bragg-Reflektor-Schichtpaare ein Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit aufweisen.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 9 oder 10, bei der jedes der HTC-DBR-Schichtpaare eine erste Schicht mit einer ersten thermischen Leitfähigkeit und einer ersten Dicke, die ein Viertel der bekannten Wellenlänge beträgt, und eine zweite Schicht mit einer zweiten thermischen Leitfähigkeit und einer zweiten Dicke aufweist, die ein ungerades Vielfaches von einem Viertel der bekannten Wellenlänge beträgt.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 11, bei der die zweite thermische Leitfähigkeit höher als die erste thermische Leitfähigkeit ist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 11 oder 12, bei der die zweite Schicht Aluminiumarsenid aufweist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, bei der jedes HTC-Schichtpaar eine erste Schicht mit einer ersten thermischen Leitfähigkeit und einer ersten Dicke, die ein Viertel der bekannten Wellenlänge beträgt, und eine zweite Schicht mit einer zweiten thermischen Leitfähigkeit und einer zweiten Dicke aufweist, die ein ungerades Vielfaches von einem Viertel einer bekannten Wellenlänge beträgt.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 14, bei der die zweite thermische Leitfähigkeit höher als die erste thermische Leitfähigkeit ist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 14 oder 15, bei der die zweite Schicht Aluminiumarsenid aufweist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, bei der der untere HTC-Reflektor nichteinheitliche HTC-Schichtpaare aufweist.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 17, bei der der untere HTC-Reflektor ein erstes HTC-Schichtpaar aufweist, wobei das erste HTC-Schichtpaar eine erste Schicht mit einer ersten thermischen Leitfähigkeit und mit einer ersten Dicke, die ein Viertel der bekannten Wellenlänge beträgt, und eine zweite Schicht mit einer zweiten thermischen Leitfähigkeit und mit einer zweiten Dicke umfasst, die ein ungerades Vielfaches von einem Viertel der bekannten Wellenlänge beträgt.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 18, bei der der untere HTC-Reflektor ein zweites HTC-Schichtpaar aufweist, wobei das zweite HTC-Schichtpaar eine dritte Schicht mit der ersten thermischen Leitfähigkeit und mit der ersten Dicke und eine vierte Schicht mit der zweiten thermischen Leitfähigkeit und mit einer dritten Dicke umfasst, die ein ungerades Vielfaches von einem Viertel der bekannten Wellenlänge beträgt, wobei die dritte Dicke sich von der zweiten Dicke unterscheidet.
Lichterzeugungsvorrichtung (100d) gemäß Anspruch 19, bei der der untere HTC-Reflektor ein drittes HTC-Schichtpaar aufweist, wobei das dritte HTC-Schichtpaar eine fünfte Schicht mit der ersten thermischen Leitfähigkeit und mit der ersten Dicke und eine sechste Schicht mit der zweiten thermischen Leitfähigkeit und mit einer vierten Dicke umfasst, die ein ungerades Vielfaches von einem Viertel der bekannten Wellenlänge beträgt, wobei die vierte Dicke sich von der dritten oder von der zweiten Dicke unterscheidet.