[发明专利]光电子半导体元件

说明书

本发明涉及一种光电子半导体元件，此元件具有一种适于产生电磁辐射的半导体本体，在此本体中在一半导体衬底上安置一有源区，在此有源区内当电流通过半导体本体时产生电磁辐射并且该有源区安置在至少一个第一谐振器镜面层和至少一个第二谐振器镜面层之间。

一种具有这种类型半导体本体的光电子半导体元件例如是所谓的垂直腔表面发射激光器(简称VCSEL)。在这种元件中，在一异质结构的有源区内产生的光垂直于两个谐振器镜面层之间具有有源区的层结构，即在电流方向被反射，并且以对半导体异质结构表面陡的角度通过反射器的镜面层从半导体本体中耦合出。

这种类型的光电子半导体元件及其工作原理，例如从W.Bludau所著“半导体光电子学”，HANSA出版社，慕尼黑，维也纳，第188和189页已知。其中说明了一种VCSEL二极管，在这种二极管中在一n型导电的衬底上安置一半导体本体，该本体由一个由n型掺杂的镜面层(下部谐振器镜面层)构成的第一层序列，一个具有有源区和由p型掺杂的镜面层(上部谐振器镜面层)构成的第二层序列的区域组成。半导体本体的电学引线是通过上部镜面上的上侧欧姆接触和在衬底上的下侧接触实现的。详细的工作原理在上述专著中的有关章节内已有说明因而在此不再赘述。

下部谐振器镜面层例如是一个用硅n型导电掺杂的，在淀积有源层序列之前，在半导体衬底上外延淀积周期性序列，此序列具有交替的GaAs或ALGaAs和ALAs或AlGaAs层，这些层具有高的以及低的折射系数，其各自的层厚为有源区发射波长的1/4除以材料的折射系数。镜面层的反射能力是通过层对的数量调整的。在这个n型导电的所谓的布拉格反射器(Bragg-Reflektor)上，例如如此淀积一个n型导电的第一势垒层，例如由AlGaAs组成，一个有源区，例如具有一个InGaAs/GaAs多量子阱结构(MQW)和一个p型导电的第二势垒层，例如由AlGaAs组成，使得有源区掩埋在势垒层之间。

上部谐振器镜面层与p型导电的第二势垒层邻界，例如一个用铍或碳p型导电掺杂的GaAs/AIAs布拉格反射器，在其上侧设置上侧欧姆接触。在上侧和下侧欧姆接触之间加上电压之后使得有源区的pn结连接成导通方向，在所选的实例中负载流子从衬底一侧通过n型导电的下部布拉格镜面注入到有源区。由上侧接触通过p型导电的上部布拉格反射器注入空穴。

类似的光电子半导体元件例如在Iga，Inst.Phys Conf.Ser 145(8)，1996，第967至972中已说明，并且可以为不同波长范围的电磁辐射采用不同的材料制造。

在VCSEL方案中，，可以在半导体衬底上的横向方向确定大量激光器并从而容易构成激光器阵列，这种阵列与所谓的SCH(Separateconfinement Heterostructure分离边界抑制结构)激光器相比较具有较优的辐射特性。

在上述半导体激光器结构中出现的主要问题是，由GaAs/AlAs-，AlGaAs/AlAs-或AlGaAs/GaAs-层序列构成的p型导电的布拉格反射器具有高电阻并因而导致高电耗。由于上述材料的低热导率所以在运行中出现激光二极管的明显温升。由此显著的限制了例如高光输出功率的VCSEL激光器的寿命。

此外，在p型导电的镜面处的大电压降限制了用电压电平＜5V驱动激光二极管，该电压电平是专门为逻辑信号规定的。

为了减小这个问题的影响，VCSEL结构中的p型导电镜面层大多安置在有源区一侧，在此侧由半导体本体耦合出电磁辐射。即在此侧需要较少的镜面层对，以使得相对于位于对面的n型导电谐振器镜面层降低此侧的反射率，从而使耦合出激光辐射成为可能。因此在表面发射激光器中半导体本体大多在n型导电衬底上制造，因此p型导电的上侧相对于衬底侧必须加正电。这种情况对驱动激光二极管是不利的，主要是当涉及在激光器阵列中有效的电流控制的驱动VCSEL二极管时，例如在EP709 939 A1中已论述过。

另外的缺点是，通常在上述VCSEL结构中应用的GaAs衬底必须用p型导电GaAs制造，因为只能用昂贵的技术费用制造高结构质量的这种衬底。因此在商业上只能得到比例如Si n型导电掺杂的GaAs衬底明显差的结构质量。