Diagramm einer einfachen VCSEL-Struktur

Der oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator ( VCSEL /ˈvɪksəl/) ist eine Art Halbleiterlaserdiode, deren Laserstrahl senkrecht von der Oberseite emittiert wird. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen kantenemittierenden Halbleiterlasern ( auch In - Plane - Laser genannt ) , die von Oberflächen emittieren, die durch das Ausschneiden des einzelnen Chips aus einem Wafer entstehen . VCSELs werden in verschiedenen Laserprodukten eingesetzt, darunter Computermäuse , Glasfaserkommunikation , Laserdrucker , Face ID [ 1 ] und Datenbrillen [ 2 ] .

Produktionsvorteile

Die Herstellung von VCSELs bietet gegenüber der Produktion von Kantenemitterlasern mehrere Vorteile. Kantenemitter können erst am Ende des Produktionsprozesses getestet werden. Funktioniert der Kantenemitter nicht ordnungsgemäß, sei es aufgrund schlechter Kontakte oder mangelhafter Materialqualität, sind Produktionszeit und Material verschwendet. VCSELs hingegen können in mehreren Prozessphasen auf Materialqualität und Verarbeitungsprobleme geprüft werden. Wurden beispielsweise die Durchkontaktierungen (Vias) , die elektrischen Verbindungen zwischen den Schichten einer Schaltung, beim Ätzen nicht vollständig von dielektrischem Material befreit, zeigt ein Zwischentest an, dass die oberste Metallschicht keinen Kontakt zur ersten Metallschicht herstellt. Da VCSELs den Strahl senkrecht zur aktiven Zone des Lasers emittieren, im Gegensatz zu Kantenemittern, deren Strahl parallel verläuft, können Zehntausende VCSELs gleichzeitig auf einem 3-Zoll- Galliumarsenid- Wafer verarbeitet werden. Obwohl die VCSEL-Produktion arbeits- und materialintensiver ist, lässt sich die Ausbeute somit besser steuern und ein höheres, vorhersehbareres Ergebnis erzielen. [ 3 ]

Struktur

Eine realistische VCSEL-Bauelementstruktur. Es handelt sich um einen nach unten emittierenden Mehrfachquantentopf- VCSEL.

Der Laserresonator besteht aus zwei parallel zur Waferoberfläche angeordneten DBR-Spiegeln ( Distributed Bragg Reflector ) mit einer dazwischenliegenden aktiven Zone, die aus einem oder mehreren Quantentöpfen zur Laserlichterzeugung besteht. Die planaren DBR-Spiegel setzen sich aus Schichten mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechungsindizes zusammen. Jede Schicht ist in dem jeweiligen Material um ein Viertel der Laserwellenlänge dick, wodurch Intensitätsreflexionsgrade von über 99 % erzielt werden. Hochreflektierende Spiegel sind in VCSELs erforderlich, um die kurze axiale Länge der Verstärkungszone auszugleichen.

Bei herkömmlichen VCSELs sind die oberen und unteren Spiegel mit p- bzw. n -dotierten Materialien beschichtet und bilden so einen Diodenübergang . In komplexeren Strukturen können die p- und n-dotierten Bereiche zwischen den Spiegeln eingebettet sein. Dies erfordert zwar einen aufwendigeren Halbleiterprozess zur Herstellung des elektrischen Kontakts zum aktiven Bereich, eliminiert aber gleichzeitig die Leistungsverluste in der DBR-Struktur.

Bei der Laboruntersuchung von VCSELs mit neuen Materialsystemen kann die aktive Zone mit einer externen Lichtquelle kürzerer Wellenlänge , üblicherweise einem weiteren Laser, angeregt werden . Dadurch lässt sich ein VCSEL demonstrieren, ohne dass die Erzielung guter elektrischer Eigenschaften zusätzlich problematisch ist; solche Bauelemente sind jedoch für die meisten Anwendungen nicht praktikabel.

VCSELs für Wellenlängen von 650 nm bis 1300 nm basieren typischerweise auf Galliumarsenid (GaAs)-Wafern mit DBRs aus GaAs und Aluminiumgalliumarsenid (Al <sub>x</sub> Ga<sub> (1− x ) </sub>As). Das GaAs-AlGaAs-System ist für den Aufbau von VCSELs vorteilhaft, da sich die Gitterkonstante des Materials bei Änderung der Zusammensetzung nur geringfügig ändert. Dies ermöglicht das Aufwachsen mehrerer gitterangepasster Epitaxieschichten auf einem GaAs-Substrat. Der Brechungsindex von AlGaAs ändert sich jedoch mit steigendem Aluminiumanteil relativ stark, wodurch die Anzahl der für einen effizienten Bragg-Spiegel benötigten Schichten im Vergleich zu anderen Materialsystemen minimiert wird. Darüber hinaus kann sich bei hohen Aluminiumkonzentrationen aus AlGaAs ein Oxid bilden, das den Stromfluss in einem VCSEL begrenzt und somit sehr niedrige Schwellenströme ermöglicht.

Die wichtigsten Methoden zur Strombegrenzung in einem VCSEL lassen sich in zwei Typen unterteilen: ionenimplantierte VCSELs und Oxid-VCSELs.

Anfang der 1990er-Jahre bevorzugten Telekommunikationsunternehmen ionenimplantierte VCSELs. Dabei wurden Ionen (häufig Wasserstoffionen, H+) in die gesamte VCSEL-Struktur mit Ausnahme der Apertur implantiert. Dies zerstörte die Gitterstruktur um die Apertur herum und unterbrach so den Stromfluss. Mitte bis Ende der 1990er-Jahre wandten sich die Unternehmen der Oxid-VCSEL-Technologie zu. Bei Oxid-VCSELs wird der Stromfluss durch Oxidation des Materials um die Apertur herum begrenzt. Eine hochlegierte Aluminiumschicht, die innerhalb der VCSEL-Struktur gewachsen ist, dient als oxidierte Schicht. Auch Oxid-VCSELs nutzen häufig den Ionenimplantationsschritt. Dadurch wird der Strompfad im Oxid-VCSEL durch die Ionenimplantation und die Oxidapertur begrenzt.

Die anfängliche Akzeptanz von Oxid-VCSELs war von Bedenken hinsichtlich des „Ablösens“ der Aperturen aufgrund von Spannungen und Defekten in der Oxidschicht geprägt. Nach umfangreichen Tests hat sich die Zuverlässigkeit der Struktur jedoch als robust erwiesen. Wie eine Studie von Hewlett Packard zu Oxid-VCSELs feststellte: „Die Ergebnisse der Belastungstests zeigen, dass die Aktivierungsenergie und die Lebensdauer von Oxid-VCSELs denen von Implantat-VCSELs mit gleicher Ausgangsleistung ähneln.“ [ 4 ] Ein weiteres Produktionsproblem stellte die Industrie beim Übergang der Oxid-VCSELs von der Forschung und Entwicklung zur Serienproduktion vor Herausforderungen. Die Oxidationsrate der Oxidschicht war stark vom Aluminiumgehalt abhängig. Bereits geringfügige Abweichungen des Aluminiumgehalts veränderten die Oxidationsrate und führten mitunter zu Aperturen, die entweder zu groß oder zu klein waren und somit die Spezifikationen nicht erfüllten.

Bauelemente für längere Wellenlängen, von 1300 nm bis 2000 nm, wurden bereits realisiert, wobei zumindest die aktive Zone aus Indiumphosphid besteht . VCSELs bei noch höheren Wellenlängen befinden sich im experimentellen Stadium und werden üblicherweise optisch gepumpt. VCSELs mit einer Wellenlänge von 1310 nm sind wünschenswert, da die Dispersion von Quarzglasfasern in diesem Bereich minimal ist.

Sonderformen

Bauelemente mit mehreren aktiven Bereichen (auch bipolare Kaskaden-VCSELs genannt)
Ermöglicht differentielle Quanteneffizienzwerte von über 100 % durch Ladungsträgerrecycling.
VCSELs mit Tunnelübergängen
Durch die Verwendung eines Tunnelanschlusses (n + p + ) kann eine elektrisch vorteilhafte nn + p + -Pin-Konfiguration aufgebaut werden, die sich auch positiv auf andere Strukturelemente auswirken kann (z. B. in Form eines vergrabenen Tunnelanschlusses (BTJ)).
Abstimmbare VCSELs mit mikromechanisch beweglichen Spiegeln ( MEMS )
(entweder optisch [ 5 ] oder elektrisch gepumpt [ 6 ] [ 7 ] )
Wafer-gebondete oder wafer-fusionierte VCSELs
Kombination von Halbleitermaterialien, die unter Verwendung verschiedener Arten von Substratwafern hergestellt werden können [ 8 ]
Monolithisch optisch gepumpte VCSELs
Zwei VCSELs übereinander. Einer von ihnen pumpt den anderen optisch.
VCSEL mit längsintegrierter Monitordiode
Unter dem Rückspiegel des VCSEL ist eine Fotodiode integriert. VCSEL mit quer integrierter Monitordiode: Durch geeignetes Ätzen des VCSEL-Wafers lässt sich eine Resonanzfotodiode herstellen, die die Lichtintensität eines benachbarten VCSEL messen kann.
VCSELs mit externen Resonatoren (VECSELs)
VECSELs werden optisch mit herkömmlichen Laserdioden gepumpt. Diese Anordnung ermöglicht das Pumpen einer größeren Fläche des Bauelements und somit die Gewinnung höherer Leistung – bis zu 30 W. Der externe Resonator erlaubt zudem intrakavitäre Techniken wie Frequenzverdopplung, Einzelfrequenzbetrieb und Femtosekunden-Pulssynchronisation.
Optische Halbleiterverstärker mit vertikalem Resonator
VCSOAs sind als Verstärker und nicht als Oszillatoren optimiert. Sie müssen unterhalb der Schwellenleistung betrieben werden und benötigen daher reduzierte Spiegelreflexionswerte zur Verringerung der Rückkopplung. Um die Signalverstärkung zu maximieren, enthalten diese Bauelemente eine große Anzahl von Quantentöpfen (optisch gepumpte Bauelemente wurden mit 21–28 Quantentöpfen demonstriert) und weisen dadurch deutlich höhere Verstärkungswerte im Einzeldurchgang auf als typische VCSELs (etwa 5 %). Diese Strukturen arbeiten als Verstärker mit schmaler Linienbreite (im Bereich von zehn GHz) und können als Verstärkungsfilter eingesetzt werden.

Eigenschaften

Da VCSELs von der Oberseite des Chips emittieren, können sie auf dem Wafer getestet werden , bevor sie in einzelne Bauelemente zerlegt werden. Dies reduziert die Herstellungskosten . Außerdem ermöglicht es die Fertigung von VCSELs nicht nur in eindimensionalen, sondern auch in zweidimensionalen Arrays .

Die größere Ausgangsapertur von VCSELs im Vergleich zu den meisten Kantenemitterlasern führt zu einem geringeren Divergenzwinkel des Ausgangsstrahls und ermöglicht eine hohe Kopplungseffizienz mit optischen Fasern.

Die im Vergleich zu Kantenemitterlasern kleine aktive Zone reduziert den Schwellenstrom von VCSELs und führt somit zu einem geringen Stromverbrauch. Allerdings weisen VCSELs derzeit noch eine geringere Emissionsleistung als Kantenemitterlaser auf. Der niedrige Schwellenstrom ermöglicht zudem hohe intrinsische Modulationsbandbreiten bei VCSELs. [ 9 ]

Die Wellenlänge von VCSELs kann innerhalb des Verstärkungsbereichs der aktiven Zone durch Anpassen der Dicke der Reflektorschichten eingestellt werden.

Während frühe VCSELs in mehreren longitudinalen Moden oder in Filamentmoden emittierten, sind heute Einmoden-VCSELs üblich.

Hochleistungs-VCSELs

Hochleistungs-VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) lassen sich entweder durch Vergrößerung der Emissionsöffnung eines einzelnen Bauelements oder durch die Kombination mehrerer Elemente zu großen zweidimensionalen (2D) Arrays herstellen. Bisher gibt es relativ wenige Veröffentlichungen zu Hochleistungs-VCSELs. Einzelne Bauelemente mit großer Apertur und einer Leistung von etwa 100 mW wurden erstmals 1993 vorgestellt. [ 10 ] Verbesserungen beim Epitaxieverfahren, der Verarbeitung, dem Bauelementdesign und der Gehäusetechnik führten bis 1998 dazu, dass einzelne VCSELs mit großer Apertur Leistungen von mehreren hundert Milliwatt emittierten. [ 11 ] Ebenfalls 1998 wurde ein Dauerstrichbetrieb (CW) von über 2 W bei einer Kühlkörpertemperatur von -10 °C mit einem VCSEL-Array aus 1000 Elementen erzielt, was einer Leistungsdichte von 30 W/cm² entspricht . [ 12 ] Im Jahr 2001 wurden bei Raumtemperatur mehr als 1 W Dauerstrichleistung und 10 W Pulsleistung von einem 19-Elemente-Array berichtet. [ 13 ] Der VCSEL-Array-Chip war auf einem Diamant -Wärmeverteiler montiert, wodurch die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant genutzt wurde . Im Jahr 2005 wurde eine Rekord-Dauerstrich-Ausgangsleistung von 3 W von einzelnen Bauelementen mit großem Durchmesser und einer Emissionswellenlänge von etwa 980 nm erreicht. [ 14 ]

Im Jahr 2007 wurde eine CW-Ausgangsleistung von über 200 W für ein großes (5 × 5 mm) 2D-VCSEL-Array mit einer Emissionswellenlänge um 976 nm berichtet [ 15 ] . Dies stellte einen bedeutenden Durchbruch im Bereich der Hochleistungs-VCSELs dar. Die hohe Leistung war hauptsächlich auf Verbesserungen des Wirkungsgrads und der Gehäusekonstruktion zurückzuführen. Im Jahr 2009 wurden für VCSEL-Arrays mit einer Emissionswellenlänge um 808 nm Leistungen von über 100 W erreicht [ 16 ] .

Zu diesem Zeitpunkt erwies sich die VCSEL-Technologie als nützlich für eine Vielzahl medizinischer, industrieller und militärischer Anwendungen, die eine hohe Leistung oder einen hohen Energiebedarf erforderten. Beispiele für solche Anwendungen sind:

Anwendungen

Geschichte

Die Oberflächenemission eines Halbleiters bei extrem niedrigen Temperaturen und magnetischem Ladungsträgereinschluss wurde 1965 von Ivars Melngailis beschrieben. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Den ersten Vorschlag für einen VCSEL mit kurzem Resonator unterbreitete Kenichi Iga vom Tokyo Institute of Technology im Jahr 1977. [ 21 ] Eine einfache Skizze seiner Idee findet sich in seiner Forschungsnotiz. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fabry-Perot-Kantenemissionslasern umfasst seine Erfindung einen kurzen Laserresonator, dessen Länge weniger als ein Zehntel der Länge von Kantenemissionslasern beträgt und der senkrecht zur Waferoberfläche angeordnet ist. 1979 demonstrierten Soda, Iga, Kitahara und Suematsu erstmals einen VCSEL mit kurzem Resonator [ 22 ] , doch erst 1988 wurden Bauelemente für den Dauerstrichbetrieb bei Raumtemperatur vorgestellt [ 23 ]. Der Begriff VCSEL wurde 1987 in einer Publikation der Optical Society of America geprägt [ 24 ]. 1989 leitete Jack Jewell eine Bell Labs/Bellcore-Kollaboration (mit Axel Scherer , Sam McCall, Yong Hee Lee und James Harbison), die über eine Million VCSELs auf einem kleinen Chip demonstrierte [ 25 ] [ 26 ] . Diese ersten VCSELs aus reinem Halbleitermaterial führten weitere Designmerkmale ein, die bis heute in allen kommerziellen VCSELs Verwendung finden. „Diese Demonstration markierte einen Wendepunkt in der Entwicklung des Oberflächenemitterlasers. Zahlreiche weitere Forschungsgruppen traten diesem Gebiet bei, und schon bald wurden weltweit viele wichtige Innovationen gemeldet.“ [ 27 ] Andrew Yang von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) initiierte rasch umfangreiche Förderprogramme für die VCSEL-Forschung und -Entwicklung, denen weitere staatliche und industrielle Förderinitiativen folgten. [ 27 ] VCSELs ersetzten Kantenemitterlaser in Anwendungen für die Glasfaserkommunikation über kurze Distanzen, wie beispielsweise Gigabit-Ethernet und Fibre Channel , und werden heute für Bandbreiten von 1 bis 400 Gigabit pro Sekunde und mehr eingesetzt.

Siehe auch

Referenzen

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