專利名稱：氮化物半導體垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化物半導體垂直腔面發(fā)射激光器。
背景技術(shù)：
VCSEL是由夾在一對高反射性的反射鏡堆疊之間的光學有源半導體區(qū)形成的激光器件，反射鏡堆疊可以由若干層金屬材料、介電材料或外延生長半導體材料形成。近來，已經(jīng)進行各種努力使VCSEL器件的工作波長延伸到200nm至600nm的更短波長范圍(即，可見光譜的紫色區(qū)到紅色區(qū))。許多氮化物半導體材料(例如，諸如GaN、AlGaN和AlInGaN的GaN基材料)具有對應于該波長范圍的帶隙能。由于這個原因，已經(jīng)進行很多的努力制造產(chǎn)生這個波長范圍內(nèi)的光的氮化物半導體發(fā)光器件。
有關(guān)設(shè)計高性能氮化物半導體VCSEL的問題之一涉及通常用氮化物半導體材料形成的高阻P型腔內(nèi)接觸。這些接觸增加電壓降，并且增加在VCSEL內(nèi)產(chǎn)生的熱。另一個問題涉及的是，由于非均勻泵浦效應，能夠結(jié)合在垂直電流注入型VCSEL設(shè)計中的有限數(shù)量的量子阱。這種情形限制了能夠獲得的光增益性能。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，使用橫向電流注入方法以減少對于在氮化物半導體垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)中量子阱的數(shù)量和P型接觸區(qū)的厚度的限制。這允許比可比較的垂直注入型氮化物半導體VCSEL設(shè)計具有更低的電壓降、更低的發(fā)熱和更高的光增益性能。
從下面描述中，包括附圖和權(quán)利要求，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)的一個實施例的示意性剖面圖；圖2是根據(jù)制造圖1所示的VCSEL方法的發(fā)明實施例的流程圖；圖3-圖10是在圖2所示的制造方法的不同階段根據(jù)圖1所示的VCSEL發(fā)明的實施例的示意性剖面圖；圖11示出流過圖1中的VCSEL實施例的電流；圖12是根據(jù)本發(fā)明的VCSEL實施例的示意性剖面圖。
具體實施例方式
在下面描述中，類似的標號用來指示類似的元件。而且，附圖意在以圖示形式示出示例性實施例的主要構(gòu)造。附圖不意在描述實際實施例的每一個構(gòu)造和所描述元件的相對尺寸，附圖不按照比例繪制。
如在此處所使用，術(shù)語“氮化物半導體材料”是指含氮的III-IV族半導體材料。示例性氮化物半導體材料包括鎵氮化物(GaN)、銦鎵氮化物(InGaN)、銦氮化物(InN)、鋁鎵氮化物(AlGaN)、鋁氮化物(AlN)、鋁銦鎵氮化物(AlInGaN)、鎵砷氮化物(GaAsN)、銦鎵砷氮化物(InGaAsN)、鋁鎵砷氮化物(AlGaAsN)、鎵磷氮化物(GaPN)、銦鎵磷氮化物(InGaPN)和鋁鎵磷氮化物(AlGaPN)。含氮III-V族半導體材料族的示例性子集由合金組分AlxInyGa1-x-yN限定，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
術(shù)語“橫向”是指大致垂直于VCSEL發(fā)光的方向。術(shù)語“垂直”是指大致平行于VCSEL發(fā)光的方向。
圖1示出根據(jù)垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)10的發(fā)明一個實施例。該VCSEL包括襯底12、第一光學反射器14、基區(qū)16、有源區(qū)18、接觸區(qū)20和第二光學反射器22。VCSEL 10還包括在有源區(qū)18上的第一電極24和在接觸區(qū)20上的第二電極26。第一光學反射器14和第二光學反射器22形成與有源區(qū)18至少一部分重疊的垂直光學腔28。在工作中，光29優(yōu)先在光學腔28內(nèi)的有源區(qū)18部分中產(chǎn)生，并且沿垂直光束軸31通過第二光學反射器22射出。
如在下面詳細地說明，VCSEL 10采用橫向電流注入方法以減少對氮化物半導體垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)中量子阱數(shù)量和P型接觸區(qū)厚度的限制。這樣，根據(jù)本發(fā)明的VCSEL 10的實施例比可比較的垂直電流注入型氮化物半導體VCSEL設(shè)計可以具有更低電壓降、更低的生熱性和更高的光增益性能。
參照圖2-圖10，首先參照圖2、圖3和圖4，在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，VCSEL 10按照如下制造。
在襯底16上形成第一光學反射器14(方框30；圖2)。如在圖3和圖4中所示，在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，通過在襯底12上沉積不同折射率材料的交替層堆疊(圖3)，并且對交替層堆疊進行圖案化(圖4)而形成第一光學反射器14。可以使用各種不同的光刻圖案化方法中任何一種方法對交替層堆疊進行圖案化。
一般而言，襯底12可以是任何類型的支撐結(jié)構(gòu)，并且可以包括一個或多個層(例如，半導電層或絕緣層)，第一光學反射器14和基區(qū)16形成在該層上。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，襯底12是藍寶石襯底。在根據(jù)本發(fā)明的其它實施例中，至少襯底12的頂面通常由硅(Si)、砷化鎵(GaAs)、硅碳化物(SiC)、鎵氮化物(GaN)、鋁氮化物(AlN)和磷化銦(InP)中的一種形成。
通常，第一光學反射器14可以是對VCSEL 10工作波長范圍(例如，200nm至600nm)內(nèi)的光呈高反射性的任何類型結(jié)構(gòu)。在根據(jù)本發(fā)明所示出的實施例中，第一光學反射器14是包括高反射性反射鏡堆疊的分布式布拉格反射器，該堆疊可以由若干層金屬材料、介電材料或外延生長半導體材料形成。在這些實施例中，第一光學反射器14包括一系列不同折射率材料的交替層，其中每一個交替層的有效光厚度(即，該層厚度乘以該層折射率)是四分之一VCSEL 10工作波長的奇數(shù)整數(shù)倍。用于形成第一光學反射器14交替層的合適介電材料包括鉭氧化物(TaO)、鋁氧化物(Al2O3)、鉿氧化物(HfO2)、鈦氧化物(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、鈦氮化物(TiN)和硅氮化物(SiN)。用于形成第一光學反射器14交替層的合適半導材料包括鎵氮化物(GaN)、鋁氮化物(AlN)和鋁鎵銦氮化物(AlGaInN)。
在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，第一光學反射器14包括電絕緣介電頂層，該頂層有助于將電流流動約束到有源區(qū)18。光學反射器14的介電頂層可以對應于交替反射層對中的一些層，或除了交替反射層對，該介電頂層可以對應于結(jié)合到光學反射器14的層。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，第一光學反射器14包括便于氮化物半導體材料從基區(qū)16橫向外延過生長的頂層。在這些實施例中的一些實施例中，第一光學反射器14的頂層由二氧化硅形成。
參照圖2和圖5，在已經(jīng)形成第一光學反射器14(方框30；圖2)之后，形成基區(qū)16(方框36；圖2)?；鶇^(qū)16包括垂直生長部38和橫向生長部40?；鶇^(qū)16由氮化物半導體材料形成，該材料首先選擇性生長在襯底12的露出表面上，而不生長在第一光學反射器14的頂面上。由于露出的襯底表面和氮化物半導體材料之間不良的晶格匹配，基區(qū)16的垂直部38通常含有高密度垂直延伸的缺陷。當垂直部38的厚度開始超過第一光學反射器14的厚度時，基區(qū)16的橫向部40開始生長。選擇橫向部40的生長參數(shù)以獲得相對于垂直生長速率的高橫向生長速率?；鶇^(qū)16的橫向部40從垂直部38的一側(cè)各向異性地生長。結(jié)果，基區(qū)16的橫向部40由高質(zhì)量的外延氮化物半導體材料形成，基本沒有晶格失配應變引起位錯。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，基區(qū)16的頂面被減薄了規(guī)定量。
參照圖2、圖6、圖7和圖8，在已經(jīng)形成基區(qū)16(方框36；圖2)之后，形成有源區(qū)18(方框42；圖2)。有源區(qū)18包括一個或多個氮化物半導體層，該半導體層包括夾在相應對的阻擋層之間的一個或多個量子阱層或一個或多個量子點層。將有源區(qū)的組成層沉積在基區(qū)16露出的頂部和側(cè)部區(qū)上(圖6)。選定有源區(qū)18的生長參數(shù)以實現(xiàn)相對于垂直生長速率低的橫向生長速率?；鶇^(qū)16的橫向部4的高結(jié)晶質(zhì)量允許上面的有源區(qū)18部分以較高的結(jié)晶質(zhì)量生長，而基區(qū)16垂直部38的較低結(jié)晶質(zhì)量導致上面的有源區(qū)18部分以低的結(jié)晶質(zhì)量(例如，更高密度的位錯缺陷)生長。
在有源區(qū)層已經(jīng)沉積在基區(qū)16上之后，蝕刻掩膜層50(例如，諸如二氧化硅的介電材料層)形成在有源區(qū)18上(圖7)，有源區(qū)18的未遮罩的側(cè)壁區(qū)通過蝕刻而去除(圖8)。各種液體或氣體蝕刻方法的任何一種方法可以用來蝕刻掉有源區(qū)18的側(cè)壁區(qū)。
在根據(jù)圖1所示的本發(fā)明實施例中，有源區(qū)18包括三組量子阱有源區(qū)44、46、48，該量子阱有源區(qū)由位于相應對阻擋層之間的相應量子阱層形成。一般而言，每一個量子阱層和阻擋層由相應氮化物半導體材料形成，其中量子阱層的帶隙能小于相鄰兩個阻擋層的帶隙能。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，量子阱層由GaN形成，阻擋層由GaN或具有低銦合金含量的InGaN形成。量子阱的位置44、46、48大致與在第一和第二反射器14、22之間形成的光學腔28內(nèi)的具有VCSEL 10工作發(fā)光波長的光學駐波中的各電場波峰一致。該構(gòu)造增加有源區(qū)18的光增益性能。
有源區(qū)18的一個或多個組元層包括第一導電類型的第一摻雜劑。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，量子阱44、46、48的阻擋層摻雜有N型摻雜劑(例如，硅)。在一些這些實施例中，量子阱44、46、48的量子阱層還摻雜有N型摻雜劑。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，有源區(qū)18包括重摻雜(例如，在1×1017cm-3至1×1020cm-3的摻雜范圍)有第一摻雜劑，以便于與第一電極24形成歐姆接觸。
參照圖2和圖9，在已經(jīng)形成有源區(qū)18之后(方框42；圖2)，形成接觸區(qū)20(方框52；圖2)。接觸區(qū)20由氮化物半導體材料沿有源區(qū)18露出的側(cè)壁和基區(qū)16的橫向生長部40通過橫向外延過生長而形成。選定接觸區(qū)20的生長參數(shù)以獲得相對于垂直生長速率高的橫向生長速率。接觸區(qū)20包括與有源區(qū)18中第一摻雜劑的導電類型相反的第二導電類型的第二摻雜劑。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，第二摻雜劑是P型摻雜劑(例如，錳或鋅)。摻雜濃度相對較高(例如，在1×1017cm-3至1×1020cm-3的摻雜范圍)以便于形成與第二電極26的歐姆接觸。
由接觸區(qū)域20和有源區(qū)18形成的PN結(jié)的橫向幾何結(jié)構(gòu)允許接觸區(qū)20制成相對大的厚度，這減少了通過接觸區(qū)20的電阻。橫向結(jié)幾何結(jié)構(gòu)還允許大量的量子阱結(jié)合在有源區(qū)18中，而不會導致有關(guān)垂直電流注入型VCSEL的非均勻泵浦問題的產(chǎn)生。這樣，橫向幾何結(jié)構(gòu)能夠使VCSEL10的光增益性能增加。
參照圖2和圖10，在已經(jīng)形成接觸區(qū)20(方框52；圖2)之后，形成第二光學反射器22(方框54；圖2)。在根據(jù)本發(fā)明所示出的實施例中，在形成第二光學反射器22之前，去除(例如，通過選擇性蝕刻)蝕刻掩膜層50。第二光學反射器22可以直接形成在接觸區(qū)20和有源區(qū)18的露出表面上或形成在沉積在接觸區(qū)20和有源區(qū)18上的一個或多個中間層上。第二光學反射器22可以與第一光學反射器14相同或類似的方式形成。如以上所說明，第一反射器14和第二光學反射器22構(gòu)建和布置成形成垂直光學腔28，該光學腔28至少與有源區(qū)18的一部分重疊。
參照圖2和圖11，在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，在已經(jīng)形成第二光學反射器(方框54；圖2)之后，分別在有源區(qū)18的重摻雜頂層上和重摻雜接觸區(qū)20上形成第一電極24和第二電極26。第一電極24和第二電極26可以由能夠與下面的有源區(qū)18和接觸區(qū)20的材料層形成歐姆接觸的任何類型的導電材料形成。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，第一電極24和第二電極26由選自Pd-Ni-Au和Ti-Pt-Au的金屬合金金屬蒸發(fā)和退火而形成。
參照圖11，在工作中，將正向電壓(VF)施加到第二電極26和第一電極24兩端，以從接觸區(qū)20沿橫向?qū)㈦娏髯⑷氲接性磪^(qū)18，如由帶箭頭的電流線56所示出。載流子的約束是由第一光學反射器14和第二光學反射器22的相對高的電阻率導致。這些高電阻率區(qū)導致電流優(yōu)先地沿橫向流過接觸區(qū)20和有源區(qū)18。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，高帶隙能氮化物半導體材料將有源區(qū)18中的量子阱44、46、48分開。高帶隙材料導致電流大部分優(yōu)先流過量子阱層的較低帶隙氮化物半導體材料；只有相對少的電流流過較高帶隙氮化物半導體材料。VCSEL 10可以附加地包括一個或多個溝道，用來約束電流，并且提供在與圖11的繪制平面垂直的橫向尺寸上的光學波導。第一反射器14和第二光學反射器22以光學方式將光約束在垂直光學腔28內(nèi)。附加的光學約束還可以由熱透鏡化和由注入的載流子分布引起的折射率變化導致。載流子和光學橫向約束增加了有源區(qū)18中與垂直光學腔28重疊的部分內(nèi)的載流子和光子的密度，因而增加在有源區(qū)18內(nèi)產(chǎn)生并且從VCSEL 10沿垂直光束軸31發(fā)出光29的效率。
如以上詳細說明，VCSEL 10采用橫向電流注入方法以減少在氮化物半導體垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)中的對量子阱數(shù)量和P型接觸區(qū)厚度的限制。這樣，根據(jù)本發(fā)明的實施例可以比可比較的垂直注入型的氮化物半導體VCSEL設(shè)計具有更低的電壓降、更低的生熱性、和更高的光學增益性能。
其它實施例在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
例如，圖12示出根據(jù)本發(fā)明的實施例，其包括與基區(qū)16而不是有源區(qū)18形成歐姆接觸的第一電極60。在這個實施例中，第一電極60通過基區(qū)16間接地電連接到有源區(qū)18。在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，基區(qū)16的頂部可以向下蝕刻至基區(qū)中重摻雜層(例如，重摻雜n++層)，并且第一電極60可以形成在露出的重摻雜層。在根據(jù)本發(fā)明的其它實施例中，在圖12中示出第一電極60可以延伸到有源區(qū)18的側(cè)壁。在一部分這些實施例中，第一電極60可以覆蓋有源區(qū)18的整個側(cè)壁和頂面的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的其它實施例可以包括襯底12的底面上的第一電極，而不是在圖1中示出的有源區(qū)頂面上的第一電極。在這些實施例中，第一電極通過襯底12和基區(qū)16間接地電連接到有源區(qū)18上。
權(quán)利要求
1.一種垂直腔面發(fā)射激光器，包括第一光學反射器；基區(qū)，所述基區(qū)具有垂直生長部和橫向生長部，所述垂直生長部沿橫向位于所述第一光學反射器附近，所述橫向生長部包括沿垂直方向位于所述第一光學反射器的至少一部分上的氮化物半導體材料；有源區(qū)，所述有源區(qū)具有沿垂直方向位于所述基區(qū)橫向生長部的至少一部分上的至少一個氮化物半導體量子阱，所述有源區(qū)包括第一導電類型的第一摻雜劑；接觸區(qū)，所述接觸區(qū)包括沿橫向位于所述有源區(qū)附近的氮化物半導體材料和第二導電類型的第二摻雜劑，所述第二導電類型與所述第一導電類型相反；第二光學反射器，沿垂直方向位于所述有源區(qū)上，并且與所述第一光學反射器一起形成垂直光學腔，所述光學腔在垂直方向上與所述有源區(qū)的至少一個量子阱的至少一部分重疊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述基區(qū)由AlxInyGa1-x-yN形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述基區(qū)由GaN形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述接觸區(qū)由AlxInyGa1-x-yN形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述接觸區(qū)由GaN形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述第一摻雜劑是N型摻雜劑，所述第二摻雜劑是P型摻雜劑。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述有源區(qū)包括成對的阻擋層之間的量子阱，所述量子阱和阻擋層中的每一個都由選自AlxInyGa1-x-yN的相應氮化物半導體材料形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述阻擋層由GaN形成，所述量子阱層由InGaN形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述阻擋層摻雜有所述第一摻雜劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述量子阱層摻雜有所述第一摻雜劑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，進一步包括與所述接觸區(qū)形成歐姆接觸的第一電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的垂直腔面發(fā)射激光器，進一步包括與所述有源區(qū)形成歐姆接觸的第二電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的垂直腔面發(fā)射激光器，進一步包括通過所述基區(qū)電連接到所述有源區(qū)的第二電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其中，所述至少一個量子阱大致與所述垂直光腔中具有規(guī)定光學波長的光學駐波的波峰一致。
15.一種垂直腔面發(fā)射激光器，包括第一分布式布拉格反射器；GaN基區(qū)，所述基區(qū)具有沿橫向位于所述第一光學反射器附近的垂直生長部和沿垂直方向位于所述第一光學反射器的至少一部分上的橫向生長部；有源區(qū)，所述有源區(qū)沿垂直方向位于所述基區(qū)的所述橫向生長部的至少一部分上，并且包括N型摻雜劑，其中，所述有源區(qū)包括成對的阻擋層之間的量子阱層，所述量子阱和阻擋層中的每一個都由選自AlxInyGa1-x-yN的相應氮化物半導體材料形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1；GaN接觸區(qū)，所述接觸區(qū)沿橫向位于所述有源區(qū)附近，并且包括P型摻雜劑；第二分布式布拉格反射器，沿垂直方向位于所述有源區(qū)上，并且與所述第一光學反射器一起形成垂直光學腔，所述光學腔與所述有源區(qū)至少一個量子阱的至少一部分重疊。
16.一種制造垂直腔面發(fā)射激光器的方法，包括形成第一光學反射器；形成基區(qū)，所述基區(qū)具有垂直生長部和橫向生長部，所述垂直生長部沿橫向位于所述第一光學反射器附近，所述橫向生長部包括沿垂直方向位于所述第一光學反射器至少一部分上的氮化物半導體材料；形成有源區(qū)，所述有源區(qū)具有沿垂直方向位于所述基區(qū)的橫向生長部的至少一部分上的至少一個氮化物半導體量子阱，所述有源區(qū)包括第一導電類型的第一摻雜劑；形成接觸區(qū)，所述接觸區(qū)包括沿橫向位于所述有源區(qū)附近的氮化物半導體材料和第二導電類型的第二摻雜劑，所述第二導電類型與所述第一導電類型相反；在所述有源區(qū)上方形成第二光學反射器，其中，所述第一反射器和第二光學反射器形成垂直光學腔，所述垂直光學腔在垂直方向上與所述有源區(qū)的至少一個量子阱的至少一部分重疊。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，所述基區(qū)由AlxInyGa1-x-yN形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述接觸區(qū)由AlxInyGa1-x-yN形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述第一摻雜劑是N型摻雜劑，所述第二摻雜劑是P型摻雜劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述有源區(qū)包括成對的阻擋層之間的量子阱，所述量子阱和阻擋層中的每一個都由選自AlxInyGa1-x-yN的相應氮化物半導體材料形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述形成所述接觸區(qū)的步驟包括從所述有源區(qū)沿橫向生長外延氮化物半導體材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。該VCSEL包括具有垂直生長部和橫向生長部的基區(qū)。垂直生長部沿橫向位于第一光學反射器附近，橫向生長部包括沿垂直方向位于第一光學反射器至少一部分上的氮化物半導體材料。有源區(qū)具有沿垂直方向位于基區(qū)的橫向生長部至少一部分上的至少一個氮化物半導體材料量子阱，并包括第一導電類型的第一摻雜劑。接觸區(qū)包括沿橫向位于有源區(qū)附近的氮化物半導體材料和與第一導電類型相反的第二導電類型的第二摻雜劑。第二光學反射器沿垂直方向位于有源區(qū)上，并與第一光學反射器一起形成垂直光學腔，該光學腔與有源區(qū)至少一個量子阱的至少一部分重疊。本發(fā)明還描述了制造VCSEL的方法。
文檔編號H01S5/343GK1917312SQ200610111208
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月15日
發(fā)明者斯科特·W·科爾扎因, 戴維·P·保爾 申請人:安華高科技Ecbu Ip(新加坡)私人有限公司