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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft im allgemeinen optische Einrichtungen und spezieller
verteilte Bragg-Reflektoren
und ihre Herstellung.
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Beschreibung
des verwandten Standes der Technik
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Ein
verteilter Bragg-Reflektor (DBR; distributed Bragg reflector) ist
ein periodisches Gitter, das in einem Halbleitersystem monolithisch
auf einem Wafer mit wechselnden Schichten mit unterschiedlichem
Brechungsindex aufgebaut werden kann. DBRs finden Anwendung in zahlreichen
optischen Einrichtungen, teilweise, weil DBRs hohe Reflektivitäten in einem
relativ kompakten Raum erreichen können. Ferner können DBRs
unmittelbar nach der Herstellung auf einem Wafer getestet werden,
anders als kristalline Reflektoren, die vor dem Testen beschnitten
werden müssen.
Beispiele von Einrichtungen, die DBRs enthalten, sind abstimmbare
optische Filter, abstimmbare Detektoren und oberflächenemittierende
Laser, einschließlich
oberflächenemittierende
Laser mit vertikaler Kavität
(VSCEL; vertical cavity surface emitting laser).
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Die
Reflektivität
eines DBRs ist eine Funktion sowohl seiner Geometrie als auch der
relativen Differenz zwischen den Brechungsindizes der Schichten. Die
relative Differenz der Brechungsindizes von zwei Materialien wird
als der Index-Kontrast bezeichnet. Allgemein nimmt die Reflektivität mit dem
zunehmenden Index-Kontrast zwischen Schichten wie mit der Anzahl
der Schichten des DBR zu. Auch die Sperrbereichs-Bandbreite des
DBR nimmt mit zunehmendem Index-Kontrast zu.
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Ein
DBR kann aus Schichten von Halbleitermaterialien oder dielektrischen
Materialien hergestellt werden, die mittels bekannter Halbleiter-Herstellungstechniken
beschichtet werden. Zum Beispiel Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP)
kann mit Indiumphosphid (InP) Schichten bilden (InGaAsP/InP DBR).
Da der Index-Kontrast zwischen InGaAsP und InP relativ gering ist,
in der Größenordnung
von 0,18, ist die Anzahl der Schichten, die zum Erreichen einer gegebenen
Reflektivität
notwendig sind, hoch. Auch die Sperrbandbreite ist re lativ gering.
In einem anderen Beispiel können
Siliciumdioxid (SiO2) und Titandioxid (TiO2) gemeinsam Schichten bilden (SiO2/TiO2 DBR). SiO2 und TiO2 haben
einen hohen Index-Kontrast,
in der Größenordnung
von 0,77, so daß relativ wenige
Schichten notwendig sind, um dieselbe Reflektivität zu erreichen.
Im Vergleich zu einem InGaAsP/InP DBR kann ein SiO2/TiO2 DBR kompakter sein und gleichwohl dieselbe
Reflektivität
erreichen. Diese Kombination hat auch eine breitere Sperrbandbreite
als ein InGaAsP/InP DBR.
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In
einem letzten Beispiel kann ein Luft/Halbleiter-DBR hergestellt
werden, bei dem Schichten aus einem Halbleitermaterial, wie InP,
durch Luftspalten getrennt sind. Luft und InP haben einen hohen
Index-Kontrast von 2,2. Ein Luft/Halbleiter-DBR kann eine hohe Reflektivität mit einer
relativ geringen Anzahl von Schichten über einer großen Sperrbandbreite
erreichen, weil der Index-Kontrast zwischen den meisten Halbleitermaterialien
und Luft groß ist.
Im Vergleich zu einem InGaAsP/InP DBR oder einem SiO2/TiO2 DBR kann ein Luft/Halbleiter-DBR bei einer gegebenen
Reflektivität
den höchsten
Kompaktheitsgrad erreichen.
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Luft/Halbleiter-DBR
werden hergestellt, indem zwei unterschiedliche epitaktische Filme
auf einem Substrat wachsen oder abgeschieden werden. Die Filmmaterialien
werden so gewählt,
daß sie
eine hohe Ätz-Selektivität haben,
so daß ein
Film weitgehend geätzt
werden kann, während
der andere weitgehend in Takt bleibt. Die Filmschichten werden zur Ausbildung
einer oder mehrerer Mesa-Formationen maskiert und geätzt. Aus
jeder Mesa (Tafelberg) wird ein DBR hergestellt. Selektives Ätzen wird
dazu verwendet, Teile eines Materials zu entfernen oder zu unterschneiden,
wodurch Luftspalten zwischen überkragenden
Schichten des verbleibenden Materials erzeugt werden.
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Das
Herstellen eines Luft/Halbleiter-DBRs ist ein schwieriger Prozeß, weil
die Luftspalten instabil sind und sowohl während als auch nach dem Herstellungsprozeß leicht
kollabieren können.
Restspannungen in dem verbleibenden Material, die sich aus dem Wachstum
oder dem Abscheidungsprozeß ergeben,
können
bewirken, daß das
verbleibende Material kollabiert und die Luftspalten abschließt. Verfahren
zum Herstellen von DBR gemäß dem Stand der
Technik haben daher versucht, das Filmabscheidungs- oder Wachstumsverfahren
sorgfältig
zu steuern, um Restspannungen zu minimieren. Auch wenn das Ätzmittel
aus den Luftspalten gespült
wird, kann die Oberflächenspannung
des Spülfluids,
das die Luftspalten verläßt, verbleibendes
Material zusammenziehen, so daß die
Luftspalten kollabieren. Herstellungstechniken für DBRs gemäß dem Stand der Technik zielten
daher darauf ab, diese Schwierigkeit zu überwinden, indem Fluidspülmittel
mit niedriger Oberflächenspannung
verwendet wurden, um die Gefahr des Kollabierens der Luftspalten
zu minimieren. Andere Herstellungsverfahren für DBRs gemäß dem Stand der Technik haben
Gefriertrocknungs- oder
Sublimationstrocknungsverfahren, die am kritischen Punkt arbeiten,
eingesetzt, wobei das Spülmittel
sublimiert oder schnell verdampft wird, indem der Umgebungsdruck
oder die Temperatur gesenkt werden, um zu verhindern, daß die Oberflächenspannung
des Spülmittels
die Luftspalten zum Einstürzen bringt.
Diese Verfahren waren weitgehend effektiv, es besteht jedoch nach
wie vor die Möglichkeit,
daß die Luftspalten
kollabieren.
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K.
Streubel at al., offenbart in "1,26 μm vertical
cavity Laser with two InP/air-gap reflectors" Electronics Letters, Band 32, Nr. 15
(1996), Seiten 1369 bis 1370, die Herstellung und Eigenschaften
eines Lasers mit vertikaler Kavität den Langwellenbetrieb. Der
aktive Bereich des Lasers ist von zwei Bragg-Reflektoren eingeschlossen.
Die Bragg-Reflektoren umfassen InP-Schichten, die durch Luftspalten getrennt sind.
Zum Herstellen der Bragg-Reflektoren wurden gestapelte Schichten
aus InP und GaInAs mit SiNx bedeckt. Streifen-förmige Öffnungen
werden in die Abdeckung geätzt,
und die GaInAs-Schichten wurden durch selektives Ätzen teilweise
entfernt. Die Luftspalt-InP-Schichten werden durch die nicht entfernten
Teile der GaInAs-Schicht aufgehängt.
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JP-A-2000-353
858 offenbart einen Oberflächenemissionslaser
mit mehrschichtigen Halbleiter-Bragg-Reflektoren. Die gestapelten
Schichten der Bragg-Reflektoren sind teilweise durch Lufträume getrennt.
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Es
wird ein verbesserter verteilter Luft/Halbleiter-Reflektor sowie
ein Verfahren zum Herstellen desselben, das das Kollabieren der
Luftspalten verhindert, benötigt.
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ABRISS DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung bezieht sich auf einen verbesserten Luft/Halbleiter-Bragg-Reflektor und ein
Verfahren zum Herstellen desselben, das eine Stützschicht zum Unterstützen der
Spalten gegen Kollabieren aufweist, gemäß dem Anspruch 1 bzw. Anspruch
5.
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Das
Verfahren umfaßt
das Ausbilden mehrerer alternierender DBR-Struktur- und Opferschichten auf
einem Substrat. Die Struktur-Opferschichten werden in wenigstens
eine Mesa, die von dem Substrat vorsteht, geätzt. Eine Tragschicht wird
auf der wenigstens einen Mesa gebildet, wobei ein Teil der Struktur-
und Opferschichten freibleibt. Ein Teil wenigstens einer der freiliegenden
Opferschichten wird ausgehend von zwischen den Strukturschichten
geätzt,
um einen Spalt zwischen den Strukturschichten zu bilden.
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Ein
beispielhafter Bragg-Reflektor gemäß der Erfindung umfaßt eine
oder mehrere erste Schichten, die zwischen zwei oder mehr zweiten Schichten
mit Abstand eingefügt
sind. Die Schichten haben wenigstens eine Seitenwand. Die ersten Schichten
werden unterschnitten, um Lücken
zwischen den zweiten Schichten zu definieren. Eine Tragschicht wird über wenigstens
einem Teil der Seitenwände
gebildet, um die zweiten Schichten zu tragen.
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Ein
beispielhafter Bragg-Reflektor gemäß der Erfindung umfaßt ein Substrat
mit mehreren Strukturschichten auf dem Substrat, die jeweils durch einen
Spalt getrennt sind. Die Strukturschichten haben Kanten. Eine Tragschicht
wird um einen Teil der Kanten herum vorgesehen, um die Strukturschichten im
wesentlichen parallel zueinander zu tragen.
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Die
Tragschichten gemäß der Erfindung schaffen
Halt für
die Strukturschichten und verhindern, daß diese in die Spalten hinein
kollabieren. Die Luft/Halbleiter-Struktur ist daher robuster und
erfordert nicht den Einsatz spezieller Spültechniken. Ferner schafft
die Erfindung Ausführungen
mit weiteren Merkmalen und Vorteilen zusätzlich oder anstelle der oben
erörterten.
Zahlreiche dieser Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zahlreiche
Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich klar und deutlich
aus der folgenden Beschreibung der zur Zeit bevorzugten Ausführungsbeispiele,
mit Bezug auf die Zeichnungen. In den Figuren zeigen:
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1A–1D sind
schematische perspektivische Darstellungen, die verschiedene Stufen
in der Herstellung eines beispielhaften verteilten Bragg-Reflektors
gemäß der Erfindung
darstellen;
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2 ist
eine schematische geschnittene Seitenansicht entlang der Linie 2-2
in 1D;
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3 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften oberflächenemittierenden
Lasers mit vertikaler Kavität,
der Bragg-Reflektoren verwendet, die erfindungsgemäß aufgebaut
sind; und
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4A und
B zeigen schematische perspektivische Darstellungen, welche alternative
Konfigurationen beispielhafter verteilter Bragg-Reflektoren gemäß der Erfindung
zeigen.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
DER ERFINDUNG
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung vollständiger
mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Die Erfindung kann jedoch
in vielen anderen Formen realisiert werden und sollte nicht auf
die Ausführungen
und die bevorzugten Verfahren, die im folgenden beschrieben sind,
begrenzt werden.
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1A–1D zeigen
Stufen in dem Herstellungsverfahren eines beispielhaften verteilten Bragg-Reflektors 10 gemäß der Erfindung.
In 1A wird der Bragg-Reflektor 10 hergestellt,
indem alternierende Strukturschichten 12 und Opferschichten 14 auf
einem Substrat 16 gewachsen oder abgeschieden werden. Die äußerste Schicht
ist vorzugsweise eine Strukturschicht 12, und die Anzahl
der Schichten hängt
ab von der Reflektivität
und dem Sperrband, welches der Bragg-Reflektor 10 haben soll.
Die Schichten 12 könnten
beispielsweise lediglich eine Opferschicht 14 und eine
Strukturschicht 12 umfassen, wenn die erforderliche Reflektivität niedrig ist.
Die Schichten 12, 14 sind vorzugsweise weitgehend
parallel zueinander. Die Dicken der Schichten 12, 14 sind
vorzugsweise Vielfache einer Viertelwellenlänge einer Wellenlänge des
Lichtes, für
den der Bragg-Reflektor 10 optimiert ist.
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Es
ist wichtig zu beachten, daß der
Begriff "Substrat" weit ausgelegt werden
soll und praktisch jede Oberfläche
umfaßt,
auf der der Bragg-Reflektor 10 ausgebildet werden kann.
Bei der Herstellung eines VCSED (siehe 3), kann
ein erster Bragg-Reflektor 10 zum Beispiel auf einem Wafer 16 mit
einem n-Kontakt 15 ausgebildet werden. Der aktive Bereich 17 des VCSEL
kann dann oben auf dem ersten Bragg-Reflektor 10 ausgebildet
werden, und ein zweiter Bragg-Reflektor 10 kann oben auf
dem aktiven Bereich 17 ausgebildet werden. Schließlich wird ein
p-Kontakt 19 oben auf dem zweiten Bragg-Reflektor 10 ausgebildet.
In der VCSEL-Konfiguration ist der aktive Bereich 17 das
gleiche wie das Substrat 16.
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Die
Materialien der Strukturschicht 12 und der Opferschicht 14 werden
vorzugsweise so gewählt,
daß sie
eine hohe Ätz-Selektivität haben,
weil wenigstens ein Teil jeder Opferschicht 14 später zwischen
den Strukturschichten 12 herausgeätzt wird, um die Spalten 18 (siehe 1D)
zu definieren. Ein Beispiel einer bevorzugten Materialkombination
für die
Strukturschichten 12 und die Opferschichten 14 ist
Indiumphosphid (InP) als die Strukturschichten 12 und Indiumgalliumarsenid
(InGaAs) als die Opferschichten 14. InGaAs kann mit Eisenchlorid
und Wasser (FeCl3:H2O)
weitgehend geätzt
werden, während
es InP weitgehend intakt läßt. Ein
Fachmann wird verstehen, daß andere
Materialkombinationen für
die Strukturschichten 12 und die Opferschichten 14 verwendet
werden können,
zum Beispiel, jedoch in keiner Weise beschränkt auf, Galliumarsenid (GaAs)
als die Strukturschichten 12 und Aluminiumarsenid (AlAs)
als die Opferschichten 14 oder Silicium (Si) als die Strukturschichten 12 und
Siliciumdioxid (SiO2) als die Opferschichten 14.
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Vorzugsweise
wird gleichzeitig mehr als ein Bragg-Reflektor 10 hergestellt,
weil dies die Herstellungskosten für jeden Bragg-Reflektor 10 minimiert, indem
Batch-Verarbeitungsverfahren eingesetzt werden können. Die Strukturschichten 12 und
die Opferschichten 14 werden somit vorzugsweise im wesentlichen
gleichmäßig über einen
Teil des Wafers 16 aufgebracht, und zwar in einem Bereich,
der groß genug ist,
um mehr als einen Bragg-Reflektor 10 herzustellen. Ein
Fachmann wird jedoch leicht verstehen, daß die Strukturschichten 12 und
Opferschichten 14 nur über
einen Bereich aufgebracht werden müssen, der groß genug
ist, um einen einzelnen Bragg-Reflektor 10 herzustellen.
Die Erfindung umfaßt
somit die Anwendung der hier beschriebenen Verfahren sowohl auf
die Batch-Verarbeitung als auch auf die Einzelherstellung von Bragg-Reflektoren 10.
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Mit
Bezug auf 1B kann ein nicht-selektives Ätzverfahren,
entweder naß oder
trocken, verwendet werden, um Teil der Struktur- und Opferschichten 12, 14 wegzuätzen und
deren Enden freizulegen. Die Schichten 12, 14 werden
vorzugsweise so geätzt,
daß eine
oder mehrere Mesas (Tafelberge) 20 gebildet werden, die
von der Oberfläche
des Substrats 16 vorstehen. Die Mesas 20 sind
Bereiche der Struktur- und Opferschichten 12, 14,
welche die allge meine Form des Reflektors 10 definieren.
Die Mesas 20 müssen
nicht rechteckig sein, wie es in den Figuren dargestellt ist, sondern
können
praktisch jede Form haben, zum Beispiel zylindrisch (siehe 4A).
Wenn ein einzelner Bragg-Reflektor 10 hergestellt wird,
wird eine einzelne Mesa 20 geätzt. Wenn mehrere Bragg-Reflektoren 10 hergestellt
werden, wird für
jeden Bragg-Reflektor 10 eine Mesa 20 geätzt.
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Die
Mesas 20 können
mit bekannten Maskier- und Musterbildungs-Verfahren geätzt werden. Zum
Beispiel kann ein Photoresist über
die äußerste Schicht,
vorzugsweise eine Strukturschicht 12, aufgebracht werden.
Der Photoresist wird mit einem Muster versehen, um die Schichten 12 zu
maskieren, so daß das Ätzen eine
oder mehrere Mesas 20 bildet. Danach wird der Photoresist
entfernt. Der Einfachheit halber wird hier definiert, daß jede vollständige Mesa 20 eine
Vorderseite 22 und eine Seitenwand (wenn die Mesa 20 zylindrisch
ist) oder mehrere Seitenwände 24 aufweist.
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Mit
Bezug auf 1C wird eine zusätzliche Tragschicht 26 auf
einem Teil der Seitenwände 24 wachsengelassen
oder abgeschieden, wobei diese zusätzliche Tragschicht 26 vorzugsweise
ein Teil der Oberseite 25 der Mesa 20 überdeckt.
Die Vorderseite 22 wird offengelassen, um Zugang zum Ätzen der Opferschichten 14 zu
haben. Auch muß die
Tragschicht 26 nicht kontinuierlich über die Seitenwände 24 (zum
Beispiel 4B) aufgebracht sein. Bekannte
Maskier- und Musterbildungs-Techniken können zum Maskieren der Vorderseite 22 und
Verhindern des Wachstums oder Abscheidens der Tragschicht 26 auf
den maskierten Abschnitten verwendet werden. Wenn die Tragschicht 26 zum
Beispiel mittels chemischer Dampfabscheidung (CVD; chemical vapor
deposition) aufgebracht wird, erlaubt eine dielektrische Maske die
Abscheidung nur in den nicht maskierten Bereichen der Mesa 20.
Da die Opferschichten 14 geätzt werden müssen, ohne
die Tragschicht 26 nennenswert zu ätzen, kann ein geeignetes Material
für die
Tragschicht 26 das Material der Strukturschicht 12 sein.
In dem obigen Beispiel, in dem die Strukturschicht 12 aus
InP ist, könnte
somit die Tragschicht 26 auch aus InP sein. Es können jedoch
auch andere Materialien mit einer hohen Ätz-Selektivität in bezug
auf die Opferschicht 14 verwendet werden. Wenn eine Tragschicht 26 aus
InP aufgebracht wird, wird vorzugsweise ein metall-organischer CVD-Abschaltungsprozeß (MOCVD)
bevorzugt.
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Mit
Bezug auf 1D werden die Opferschichten 14 mit
einem selektiven Ätzmittel
geätzt, um
Spalten 18 zu bilden. Das Ätzmittel wird so gewählt, daß es die
Strukturschichten 12 und die Tragschicht 26 im
wesentlichen in Takt läßt. Wie
oben erwähnt,
ist bei p- Strukturschichten
und InGaAs-Opferschichten FeCl3:H2O ein bevorzugtes Mittel. Wie man aus 2 erkennen
kann, muß nur
gerade so viel der Opferschichten 14, wie zum Bilden der
Spalten 18 erforderlich ist, geätzt werden, und der Rest dient dazu,
die Strukturschichten 12 mit Abstand zueinander zu halten.
Wie man aus 4B erkennen kann, kann das Ätzen der
Opferschichten 14 derart, daß ein Teil der Opferschichten 14 entlang
einer Seite des Bragg-Reflektors 10 zurückbleibt,
diese Seite unterstützen.
Die unterstützte
Seite würde
die Tragschicht 26 nicht benötigen.
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Wieder
mit Bezug auf 1D bleibt die Tragschicht 26 um
die Seitenwände 24 herum
bestehen und dient dazu, der Tragschicht 12 zusätzlichen
Halt zu geben. Dieser zusätzliche
Halt wirkt der Neigung der Strukturschichten 12 zum Kollabieren
entgegen und unterstützt
somit die Strukturschichten 12 derart, daß diese
im wesentlichen parallel sind. Der zusätzliche Halt der Tragschicht 16 dient
auch der Verstärkung
der Strukturschichten 12 gegen die Oberflächenspannung
des Spülfluids.
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Jeder
Teil der Tragschicht 26 kann dotiert werden, um einen leitenden
oder halbleitenden Pfad zu schaffen, um elektrischen Strom durch
den Bragg-Reflektor 10 zu konzentrieren oder zur beschränken. Alternativ
kann das Dotieren semi-isolierende oder nicht leitende Bereiche
schaffen. Teile einer InP-Tragschicht 26, die mit Eisen
(Fe) dotiert sind, sind zum Beispiel semi-isolierend. Die Tragschicht 26 kann
auch als ein thermischer Pfad dienen, um Wärme aus der Vorrichtung herauszuführen. In
einem VCSEL mit dem Bragg-Reflektor 10 (siehe 3)
kann die Tragschicht 26 beispielsweise dazu dienen, den
aktiven Bereich 17 konduktiv zu kühlen.
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Die
Ausführungsbeispiele
haben mehrere wesentliche Vorteile. Die Tragschichten tragen die Strukturschichten,
machen diese weniger empfänglich
gegen Kollabieren aus grundinterner Spannungen oder der Oberflächenspannung
des Spülfluids. Es
muß daher
kein Spülfluid
mit niedriger Oberflächenspannung
verwendet werden, noch muß ein
Gefriertrocknungsverfahren beim kritischen Punkt des DBRs eingesetzt
werden, um zu verhindern, daß die Schichten
kollabieren. Auch können
die resultierenden Luft/Halbleiter-DBRs kompakter als andere Luft/Halbleiter-DBRs
gestaltet werden, weil die Tragschichten die Spalten mit größerer Effizienz
bezüglich
der Raumausnutzung unterstützen.
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Obwohl
die Erfindung oben in Bezug auf wenige Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, wird man verstehen, daß die
Beschreibung und die Beispiele den Bereich der Erfindung illustrieren,
nicht beschränken
sollen. Das, was hier mit Bezug auf die Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, kann auf den Aufbau vieler verschiedener Konfigurationen
von Bragg-Reflektoren
angewendet werden. Der Bereich der Erfindung sollte somit nur durch
die folgenden Ansprüche
beschränkt
werden.