專利名稱：具有腔內(nèi)結(jié)構(gòu)的縱腔式表面發(fā)射激光器的制作方法
本申請(qǐng)與我們的序號(hào)為07/790964的在審申請(qǐng)有關(guān)，后者是1991年11月7日受理的，名稱為“可見光表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器”，在此引作參考。
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光器，尤其是涉及縱腔式表面發(fā)射激光器，該激光器采用一種腔內(nèi)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)低的串聯(lián)電阻、高的功率效率、以及單橫模運(yùn)轉(zhuǎn)。
縱腔式表面發(fā)射激光器(VCSELs)在垂直于pn結(jié)平面或襯底平面的方向上產(chǎn)生輻射，而不是象在通常的側(cè)面發(fā)射二極管激光器中那樣在平行于pn結(jié)平面的方向產(chǎn)生輻射。與通常的側(cè)面發(fā)射激光器的散光特性相比，VCSELs能很好地發(fā)射圓對(duì)稱高斯光，并且不需要失真校正。而且，VCSELs可被容易地制成兩維激光器陣列，還可制成極小的尺寸。于是，兩維的VCSELs陣列在光學(xué)互接、集成光電子電路和光學(xué)計(jì)算領(lǐng)域中具有各種應(yīng)用。
為獲得低的閾值電流，VCSELs通常采用厚度為λ/4n量級(jí)或更小的薄激活區(qū)，這里λ為所發(fā)射光的波長(zhǎng)，n為激活區(qū)的折射系數(shù)。不過，由于采用薄激活區(qū)，VCSELs具有大約為1%或更低的單程光學(xué)增益，因而為產(chǎn)生激光需采用反射率大于99%的端鏡。如此高的反射率通常是通過采用外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體分配式布喇格反射(DBR)鏡來實(shí)現(xiàn)的。
DBR鏡包括折射系數(shù)高低交替的半導(dǎo)體層。為獲得大于99%的反射率，一般需要20至30對(duì)這種交替排列的半導(dǎo)體層，這取決于各層的折射系數(shù)之間的差異。通過合適的摻雜物摻雜使得具有相反導(dǎo)電類型，DBR鏡與激活區(qū)形成一個(gè)p-i-n結(jié)構(gòu)。通過按下述方式對(duì)各個(gè)DBR鏡進(jìn)行電連接有利于電流發(fā)射，即電子和空穴橫向通過各鏡到達(dá)激活區(qū)，在此它們結(jié)合并產(chǎn)生輻射。
遺憾的是，VCSEL的適用性受到其低的光功率輸出的嚴(yán)重限制。尤其是，VCSELs不能實(shí)現(xiàn)可與側(cè)面發(fā)射激光器相比的光功率輸出水平。VCSELs的總功率目前限于約10%以內(nèi)，而側(cè)面發(fā)射激光器通常呈現(xiàn)高于50%的功率效率。
VCSEL的低功率歸因于兩個(gè)決定因素(1)低電導(dǎo)率，和(2)低光量子效率。低電導(dǎo)率是由于激活區(qū)的小截面積，即小的傳導(dǎo)面積，以及由于電子和空穴垂直穿過多層的DBR鏡伴生的高電阻引起的。而VCSELs的光量子效率與激光諧振腔中和吸收材料重疊的光場(chǎng)有關(guān)。
到目前為止，所有公開的VCSELs的設(shè)計(jì)都在其光學(xué)特性和電子特性之間進(jìn)行權(quán)衡。設(shè)計(jì)要么是優(yōu)化光量子效率而降低電導(dǎo)率，要么反之。
在近來為解決高串聯(lián)電阻問題所做的努力中，Kwon等人在名稱為“前表面發(fā)射二極管”的美國(guó)專利No，5，034，958中描述了這樣一種VCSEL，它包括一個(gè)設(shè)在高位鏡和低位鏡之間的激光諧振腔，并且在高位隔層和低位隔層之間夾有激活區(qū)。低位鏡包括一個(gè)半導(dǎo)體DBR，而高位鏡包括一個(gè)介質(zhì)DBR。一個(gè)電接觸層包括一對(duì)或兩對(duì)P型摻雜的GaAs/AlAs半導(dǎo)體層，這些半導(dǎo)體層形成一個(gè)半導(dǎo)體DBR，該電接觸層位于高位的介質(zhì)鏡和高位隔層之間，以便向激活區(qū)的上部注入電流。
Kwon等人的VCSEL設(shè)計(jì)進(jìn)一步包括一個(gè)接觸區(qū)，此接觸區(qū)是通過向在激活層和高位鏡之間圍繞諧振腔的區(qū)域注入電導(dǎo)率增加的離子來確定的。在此結(jié)構(gòu)中，電流僅穿過一對(duì)或兩對(duì)GaAs/AlAs半導(dǎo)體層就到達(dá)高位隔層，并接著到達(dá)激活區(qū)，而不是在通常的VCSELs中那樣一般要穿過20-30對(duì)半導(dǎo)體層。因此，對(duì)于這種VCSEL結(jié)構(gòu)而言，串聯(lián)電阻降低了。
盡管這是一種改進(jìn)的設(shè)計(jì)，但與側(cè)面發(fā)射激光器相比，串聯(lián)電阻仍是高的，限制了其性能。雖然增加這些層中的摻雜濃度，例如從通常的1018/cm3增加到1020/cm3或1021/cm3，能進(jìn)一步降低串聯(lián)電阻，但這種摻雜濃度阻止提高吸收，使量子效率降低，并使功率特性變差。
與現(xiàn)有技術(shù)的VCSELs有關(guān)的另一個(gè)問題是，這些VCSELs試圖產(chǎn)生次橫模的激光，然而單橫?；?TEM00)激光通常是最佳的。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是要降低VCSELs的串聯(lián)電阻，并且在基本上不降低其光量子效率的情況下提高其功率效率。
本發(fā)明的另一目的是抑制VCSELs中高次橫模激光的產(chǎn)生。
這些和其它目的是在根據(jù)本發(fā)明的縱腔式表面發(fā)射激光器(VCSELs)中實(shí)現(xiàn)的，該激光器采用腔內(nèi)結(jié)構(gòu)來降低串聯(lián)電阻，并實(shí)現(xiàn)了單橫?；?TEM00)運(yùn)轉(zhuǎn)。腔內(nèi)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)分層電極、一個(gè)帶電流孔的分層電極、和/或一個(gè)光孔。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，一個(gè)VCSEL包括一個(gè)位于高位和低位分配式布喇格反射(DBR)鏡之間的激光諧振腔。此激光諧振腔包括圍繞產(chǎn)生光輻射的激活區(qū)的高位和低位隔層。一個(gè)分層電極設(shè)置在高位鏡和高位隔層之間，用以向激活區(qū)引導(dǎo)電流以產(chǎn)生激光。另外，分層電極也可置于高位鏡中，最好在高位鏡的大部分以下。
分層電極包括多個(gè)交替排列的相同導(dǎo)電類型的高的和低的摻雜半導(dǎo)體層，這些層相對(duì)于激活區(qū)縱向疊置。在產(chǎn)生激光期間，在激光諧振腔中建立起一個(gè)具有周期性的強(qiáng)度波峰和波谷的駐波。分層電極的高摻雜層靠近駐波波峰設(shè)置，并被靠近駐波波谷設(shè)置的低摻雜層分隔開。這種排列在分層電極中形成高的橫向電導(dǎo)，而且基本上不增加光吸收，結(jié)果是，大大降低了串聯(lián)電阻但不降低光學(xué)效率。
在另一實(shí)施例中，與分層電極相聯(lián)合，采用了一個(gè)具有直徑小于激光腔光孔的直徑的電流孔來抑制高次橫模激光的產(chǎn)生。此電流孔顯著降低了激活區(qū)周邊部分的電流聚集，并提高了激活區(qū)中心的電流密度。結(jié)果，高次橫模激光被消除。
電流孔是水平設(shè)置于高位鏡和激活區(qū)之間的一個(gè)盤形區(qū)域。它是通過將電導(dǎo)率降低的離子注入到環(huán)形周圍區(qū)域來界定的。電流孔與高位鏡的中心縱向?qū)?zhǔn)，其直徑與高位鏡相同或更小。界定電流孔的注入?yún)^(qū)具有這樣的電導(dǎo)率降低的離子濃度，即在注入?yún)^(qū)，低摻雜的P層具有高電阻率，而高摻雜的P+層保持導(dǎo)電。因此，當(dāng)電流加至分層電極上時(shí)，它基本上平行于激活區(qū)流動(dòng)，直至它到達(dá)電流孔，爾后垂直地且均勻地流入激活區(qū)。按這種方式，單橫模基模運(yùn)轉(zhuǎn)就實(shí)現(xiàn)了。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，VCSEL包括一個(gè)設(shè)置于高位和低位DBR鏡之間的激光諧振腔。此激光諧振腔包括圍繞激活區(qū)的高位和低位隔層。高位和低位鏡是由高和低折射系數(shù)層對(duì)順序組成的DBR鏡。激活區(qū)可進(jìn)一步稱為有增益區(qū)，它是在激活區(qū)中通過用導(dǎo)電率降低離子對(duì)環(huán)形周圍區(qū)域進(jìn)行離子注入來界定的。一個(gè)位于與激活區(qū)平行的平面中的金屬層形成于高位DBR鏡中。金屬層最好僅設(shè)在形成高位DBR鏡的多層中的幾層中，此高位DBR鏡位于隔層的頂部之上。金屬層具有一個(gè)開口，此開口與增益區(qū)縱向?qū)?zhǔn)，并具有等于或小于增益區(qū)的直徑。這個(gè)開口起光孔作用，它以這樣的方式阻擋光場(chǎng)，即，消除高次橫模運(yùn)轉(zhuǎn)，從而形成單橫模基模運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，金屬層還起歐姆-金屬接觸埋層的作用，從而通過減少電阻數(shù)量來降低串聯(lián)電阻，載流子橫穿所述電阻層而到達(dá)激活區(qū)。
本發(fā)明的這些和其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將從結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明中變得更為清楚，附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的帶有腔內(nèi)第一分層電極的VCSEL的剖面圖;
圖2是帶有腔內(nèi)第一和第二分層電極的VCSEL的剖面圖;
圖3是帶有腔內(nèi)分層電極和電流孔的VCSEL的剖面圖;
圖4是圖3中示出的低位鏡的放大剖面圖;
圖5(a)是圖3中示出的激光諧振腔的放大剖面圖;
圖5(b)是在圖5(a)示出的激光諧振腔中駐波強(qiáng)度與各層的縱向位置之間的關(guān)系;
圖5(c)是圖3的分層電極中的各層隨它們?cè)诠馇恢械目v向位置的帶隙示意圖;
圖5(d)是圖3的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，它采用淺注入來降低接觸電阻;
圖5(e)是圖3的另一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，它采用蝕刻臺(tái)面來降低接觸電阻;
圖6是圖3所示的激光器結(jié)構(gòu)的激活區(qū)以及高位和低位隔層的剖面圖;
圖7是圖3所示的高位介質(zhì)DBR鏡的放大的剖面圖;
圖8是帶有分層電極和蝕刻界定的電流孔的VCSEL的剖面圖;
圖9是具有內(nèi)光孔和由環(huán)形注入?yún)^(qū)圍繞的光增益區(qū)的VCSEL的剖面圖;
圖10是帶有腔光孔和蝕刻界定的光增益區(qū)的VCSEL的剖面圖;
圖11是帶有腔內(nèi)光孔和由再生材料圍繞的光增益區(qū)的VCSEL的剖面圖。
本發(fā)明涉及一種具有腔內(nèi)結(jié)構(gòu)的縱腔式表面發(fā)射激光器(VCSELs)。此腔內(nèi)結(jié)構(gòu)包括一個(gè)分層電極、一個(gè)帶電流孔的分層電極、和/或一個(gè)光孔。具有上述腔內(nèi)結(jié)構(gòu)的這些VCSELs明顯地降低了串聯(lián)電阻，顯著地改善了功率效率和單橫模基模(TEM00)運(yùn)轉(zhuǎn)。
在圖1-10中示出了根據(jù)本發(fā)明的原理提出的各種VCSEL結(jié)構(gòu)。為參照方便起見，在上述各圖中相同的元件用相同的參考符號(hào)表示。
在圖1中示出的是根據(jù)本發(fā)明的帶有分層電極的VCSEL。此VCSEL包括一個(gè)低位鏡20、一個(gè)低位隔層30、一個(gè)激活區(qū)40、一個(gè)高位隔層50、一個(gè)第一分層電極60、以及一個(gè)高位鏡70。下列技術(shù)在本領(lǐng)域是公知的并描繪于(例如)名稱為“表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器”的美國(guó)專利4，949，350中，即層20、30、40和50是外延形成于襯底10上。第一分層電極60也是外延形成于高位隔層50上。還構(gòu)成兩個(gè)電接觸層，即用于電接觸第一分層電極60的頂部電接觸層80和用于電接觸襯底10的底部電接觸層90。
電流從電接觸層80流至第一分層電極60，爾后流至隔層50、激活區(qū)40、隔層30、鏡20、襯底10，并最后流至底部電接觸層90。由于電流穿過分層電極流入激活區(qū)，因此高位鏡70不需要是導(dǎo)電的。有利的是，這允許VCSEL采用一個(gè)高位介質(zhì)DBR鏡。介質(zhì)層可以制成在折射系數(shù)方面與半導(dǎo)體層相比具有更大差異。結(jié)果，只需不多的介質(zhì)就可形成一個(gè)有效的DBR鏡，例如，4或5對(duì)而不是20至30對(duì)半導(dǎo)體層。這省去了外延生長(zhǎng)高位半導(dǎo)體DBR鏡的費(fèi)時(shí)工序，并制出更為平面化的VCSEL。
第一分層電極60包括兩個(gè)高摻雜層63和兩個(gè)低摻雜層62、64。層62、63和64與高位隔層50具有相同電導(dǎo)類型的雜質(zhì)，以便將導(dǎo)電流傳至激活區(qū)40。通過對(duì)激活區(qū)進(jìn)行環(huán)形注入形成的電流阻擋區(qū)44是用于水平地限制電流。由實(shí)線箭頭100指示的電流水平流動(dòng)，爾后垂直流入激活區(qū)，從而不生光輻射。正如圖1中所示的，由于在高摻雜層中的高電導(dǎo)率，在高摻雜層63中流動(dòng)的主要是橫向電流。
圖2中示出的實(shí)施例還采用了一個(gè)第二分層電極。此第二分層電極25設(shè)置在低位隔層30和低位鏡20之間。第二分層電極包括兩個(gè)高摻雜層24和兩個(gè)低摻雜層22、23。層22、23和24與低位隔層30具有相同電導(dǎo)類型的雜質(zhì)，但與第一分層電極60具有相反電導(dǎo)類型的雜質(zhì)。電接觸層95電連接至第二分層電極25。另外，電接觸層95也可以與圖1中的電接觸層相同的方式構(gòu)成。
通過采用第二分層電極25，VCSE的串聯(lián)電阻和光吸收進(jìn)一步降低。有益的是，它允許外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體低位鏡20是非摻雜的。從而，降低了低位鏡中的光吸收。采用電接觸層95的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，襯底10可由半絕緣材料制成，例如半絕緣的GaAs。那些需要將VCSELs與其它電子器件或電光器件單片集成形成光電子集成電路的應(yīng)用將從半絕緣材料的采用中獲得很大益處。高速度和高頻率應(yīng)用也將從半絕緣襯底的采用中獲益。
上述VCSEL結(jié)構(gòu)容易與(例如)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBTs)、異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFETs)、異質(zhì)結(jié)光電晶體管(HPTs)和光電探測(cè)器集成于一體，集成方式與我們的序號(hào)為NO，07/823，496的在審申請(qǐng)中描述的方式相似，所述申請(qǐng)是1992年1月21日受理的，名稱為“晶體管與縱腔式表面發(fā)射激光器的集成”，在此被引作參考。這種集成預(yù)計(jì)會(huì)在本發(fā)明的實(shí)施中采用。
在另一實(shí)施例中，如圖3所示，帶有分層電極和離子注入的電流孔的VCSEL是用作基本上消除高次橫模激光的一種手段。高次橫模激光主要起因于兩個(gè)因素(1)由于低電阻，激活層的外側(cè)部分常有較高密度電流流過;(2)由于在激活區(qū)中缺乏好的橫向?qū)щ娦?，激活層的中心部分的增益很快為最低次模消弱并且不能足夠快地補(bǔ)充。帶有腔內(nèi)電流孔的分層電極提供了好的橫向?qū)щ娦砸约吧湎蚣せ顓^(qū)的均勻電流，從而基本上消除高次橫模激光。
此器件的制造工藝由n+摻雜的GaAs襯底10開始，接著依次通過外延生長(zhǎng)形成低位半導(dǎo)體DBR鏡20、低位隔層30、激活區(qū)40、高位隔層50和分層電極60。兩個(gè)質(zhì)子注入?yún)^(qū)，即用于界定電流孔47的深注入?yún)^(qū)48和用于使此器件與同襯底上的其它器件絕緣的淺注入?yún)^(qū)35，是通過公知的技術(shù)形成的。此器件還要進(jìn)一步高溫?zé)嵬嘶?，以減少注入造成的損壞。
用于接觸分層電極的頂部歐姆接觸層80通過光刻和金屬淀積形成。高位介質(zhì)鏡70爾后淀積形成并通過光刻和介質(zhì)淀積界定。然后在形成用于接觸n+摻雜的GaAs襯底的底部歐姆接觸層90之前，將襯底10拋光至所希望的厚度。
電流孔47由環(huán)形的質(zhì)子注入?yún)^(qū)48界定。有益的是，電流孔47被設(shè)計(jì)成具有小于高位鏡70的直徑。在形成此孔時(shí)，注入能量這樣選擇是知宜的，即將注入質(zhì)子基本垂直地限制在分層電極60和高位隔層50中。另外，注入質(zhì)子的濃度這樣選擇，即，在注入?yún)^(qū)P型低摻雜層變?yōu)楦咦璧模鳳+型高摻雜層保持導(dǎo)電。這種構(gòu)形將由實(shí)線箭頭標(biāo)示的電流110限制為垂直均勻地流入激活區(qū)，從而減輕激活區(qū)周邊處的電流聚集，并形成單橫?；?TEM00)運(yùn)轉(zhuǎn)。相似地，電流孔47也可與圖2的第二分層電極25和/或電接觸層95聯(lián)合。
如圖4所示，低位鏡20包括分別為n+摻雜的AlAs和AlGaAs的交替排列層21、22。各層均為λ/4厚，這里λ為所發(fā)射的輻射波長(zhǎng)。關(guān)于外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體DBR鏡的詳細(xì)說明參見(例如)J.Jewell等人寫的名稱為“縱腔式表面發(fā)射激光器設(shè)計(jì)、生長(zhǎng)制造、特性”的文章，此文刊載于IEEE Journal of Quantum Electronics(量子電子學(xué)雜志)第27卷第6期1332-1346頁(1991年6月)，在此被引作參考。
如圖5(a)所示，夾在高位和低位鏡間的光學(xué)諧振腔包括低位隔層30、激活區(qū)40、高位隔層50和分層電極60。分層電極60包括P型高摻雜AlGaAs層63和低摻雜InGaP層62和64。在此分層電極中，高摻雜層63具有等于或小于λ/4n的厚度，低摻雜層64具有等于或大于λ/4n的厚度，而層63和64的總厚度基本為λ/2n，這里λ為各層的折射系數(shù)。低摻雜層62具有λ/8n的厚度。高摻雜層和低摻層的P型摻雜濃度分別約為1020/cm3和1018/cm3。采用如此高的摻雜濃度，高摻雜層63變成良好導(dǎo)電的。
圖5(b)示出了VCSEL的駐波強(qiáng)度與光腔中的縱向位置的關(guān)系，其中高摻雜層63定中心于駐波波谷，而低摻雜層64定中心于駐波波峰。駐波強(qiáng)度與光腔中的光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)。因此，駐波波峰是在光最強(qiáng)的位置，而駐波波谷是在光最弱的位置。光較容易為高摻雜材料吸收而不易為低摻雜材料吸收。有利的是，將高摻雜層置于強(qiáng)度最小處而將低摻雜層置于強(qiáng)度最大處，這樣在分層電極60中的光吸收是最小的。
分層電極60的低摻雜層62具有λ/8n的厚度，以使高位鏡和分層電極的界面位于駐波波峰。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)高位隔層50、激活層40和低位隔層50，可獲得長(zhǎng)度為mλ/2neff的激光諧振腔，這里m是一個(gè)整數(shù)，λ是輻射波長(zhǎng)，neff是激光諧振腔的有效折射系數(shù)。
圖5(c)示出分層電極60中各層的價(jià)帶與各層在激光腔中的縱向位置的關(guān)系圖。由于在AlGaAs/InGaP界面上存在的能壘，來自各高摻雜AlGaAs層的空穴61被限于此。這導(dǎo)致在分層電極中形成較高的橫向電導(dǎo)，并且還可防止高摻雜AlGaAs層中的高濃度的空穴溢至鄰近區(qū)域。另外，GaAs和AlGaAs、GaAs和InGaP、AlGaAs和InGaP、或AlxGa(1-x)As和AlyGa(1-y)As均可分別作用高和低摻雜層，這里y是一個(gè)大于X的數(shù)值。腔內(nèi)分層電極的應(yīng)用允許串聯(lián)電阻象側(cè)面發(fā)射激光二極管中那樣低，并且基本上不降低激光器的光量子效率。
圖5(a)中最上面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以改變，以使頂部電接觸層和分層電極之間的接觸電阻減至最小，否則它會(huì)由層62的低摻雜水平所損害。在激光腔中并不希望層62是高摻雜的，因?yàn)檫@會(huì)增加吸收損耗。
如圖5(d)所示，一種減小這種接觸電阻的途徑是，在激光腔外頂部電接觸層80正下方形成一個(gè)淺P型注入?yún)^(qū)65。這將增加頂部電接觸層80下面的P型載流子濃度，而并不損害腔的光學(xué)特性。通過標(biāo)準(zhǔn)的光刻和注入技術(shù)可容易地形成此淺注入?yún)^(qū)。
另一種途徑是進(jìn)行淺蝕刻形成一個(gè)由頂部鏡70和層62的中心部分組成的臺(tái)面結(jié)構(gòu)，如圖5(e)所示。結(jié)果是，頂部電接觸層80形成于高摻雜層63上，從而降低了接觸電阻。再一種途徑是在層63的外延生長(zhǎng)約一半時(shí)停止外延生長(zhǎng)并省去生長(zhǎng)層62。在這種情況下，高位鏡70的底部必須由高折射系數(shù)層構(gòu)成，以便產(chǎn)生所要求的波長(zhǎng)的腔諧振。
如圖6所示，激活區(qū)40包括三個(gè)約50 厚的GaInP層，這三層由兩個(gè)約90 厚的AlGaInP阻擋層42隔開，激活區(qū)被夾置于低位隔層30和高位隔層50之間。兩隔層是由非摻雜的Al-InP材料逐步過渡到靠近激活區(qū)的AlInGaP。激活區(qū)和隔層的設(shè)計(jì)和形成詳細(xì)描述于我們的序號(hào)為07/790，964的在審美國(guó)專利申請(qǐng)中。
如圖7所示，高位鏡70包括SiO2層71和TiO2層72，各層均為λ/4n厚，這里n為折射系數(shù)。層71和72構(gòu)成一個(gè)DBR鏡。通常，允許采用幾層折射系數(shù)有相當(dāng)大差異的SiO2，TiO2和介質(zhì)材料來形成高位DBR鏡。典型的情況是用5至6對(duì)這些材料層就足以在VCSEL中提供產(chǎn)生激光所需的高反射率。
上述的優(yōu)選實(shí)施例采用一個(gè)環(huán)形的質(zhì)子注入?yún)^(qū)48來確定電流孔47。另外，如圖8所示，縱向臺(tái)面蝕刻之后選擇性橫向蝕刻激活區(qū)和周圍層也可用來確定電流孔并隔離此器件。側(cè)壁65和66分別由縱向臺(tái)面蝕刻和選擇性橫向蝕刻確定。
在圖8的工藝中還可得到其它好處。由于圖8所示器件的直徑通常為4-10μm，載流子壽命由于激活區(qū)周圍邊的非輻射復(fù)合而明顯縮短。當(dāng)此區(qū)由離子注入確定時(shí)，除高溫退火外沒有已知的消除此問題的(其它)途徑，而高溫退火還會(huì)降低注入效果，并因此損害器件的結(jié)構(gòu)完整。
當(dāng)臺(tái)面被蝕刻到激活材料的水平時(shí)，對(duì)于橫向蝕刻而言包括激活材料的側(cè)壁66的鈍化是可能的。此鈍化可保持載流子壽命，降低非輻射復(fù)合，并因此導(dǎo)致較低的閾值電流和增加的光量子效率。
在如圖9所示的另一實(shí)施例中，VCSEL包括襯底200、低位DBR鏡210、低位隔層220、激活區(qū)230、高位隔層240和高位DBR鏡275。具有光孔265的金屬層260形成于高位鏡275中，從而將高位鏡275分兩部分;即下部250和上部270。此金屬層最好由鈹金(AuBe)組成，它還起到電接觸下部250的歐姆接觸層作用。有益的是，下部250僅包括幾對(duì)半導(dǎo)體DBR層，從而獲得低串聯(lián)電阻。下部250中包含的半導(dǎo)體DBR層的對(duì)數(shù)小于10，并且其最佳數(shù)量取決于(例如)特定的器件幾何形狀、輻射波長(zhǎng)入和鏡材料。
雖然為便于電接觸正是下部250包括外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體層，但上部270可以是如圖4所示的半導(dǎo)體DBR鏡，也可以是如圖7所示的介質(zhì)DBR鏡，或兩者的組合。為清楚起見，與半導(dǎo)體DBR鏡、介質(zhì)DBR鏡、隔層和激活區(qū)有關(guān)的細(xì)節(jié)上面已描述，在此不再詳細(xì)討論。
具有所希望的直徑的光增益區(qū)235由激活區(qū)230中的環(huán)形質(zhì)子注入?yún)^(qū)245確定。光孔265被設(shè)計(jì)成具有小于光增益的直<p>
其中R7，R8，R9，R10，R11和R12分別選自氫和C1-2烷基，而m為0或1。
在特別優(yōu)選方案中，m為0，R7，R8和R11為氫，R12為氫(碳酸亞乙酯)，-CH3(碳酸亞丙酯)或-CH2CH3(碳酸亞丁酯)。
用于本發(fā)明的適宜碳酸酯包括1，3-二氧戊環(huán)-2-酮(碳酸亞乙酯)，4-甲基-1，3-二氧戊環(huán)-2-酮(碳酸亞丙酯)，4，5-二甲基-1，3-二氧戊環(huán)-2-酮，4-乙基-1，3-二氧戊環(huán)-2-酮，4，4-二甲基-1，3-二氧戊環(huán)-2-酮，4-甲基-5-乙基-1，3-二氧戊-2-酮，4，5-二乙基-1，3-二氧戊環(huán)-2-酮，4，4-二乙基-1，3-二氧戊環(huán)-2-酮，1，3-二噁烷-2-酮，4，4-二甲基-1，3-二噁烷-2-酮，5，5-二甲基-1，3-二噁烷-2-酮，5-甲基-1，3-二噁烷-2-酮，4-甲基-1，3-二噁烷-2-酮，5，5-二乙基-1，3-二噁烷-2-酮，4，6-二甲基-1，3-二噁烷-2-酮，4，4，6-三甲基-1，3-二噁烷-2-酮，螺〔1，3-氧雜-2-環(huán)己酮-5′，5′-1′，3′-氧雜-2′-環(huán)己酮〕和1，3-二氧環(huán)戊烯-2-酮(即與注入的或橫向蝕刻的結(jié)構(gòu)相比，上述再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)。首先是，再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在激活區(qū)和周圍材料之間提供了比注入結(jié)構(gòu)更大的折射系數(shù)差異。因此，光輻射在再生長(zhǎng)VCSEL結(jié)構(gòu)中比在注入結(jié)構(gòu)中得以更好地約束，從而大大改善了激光器的光量子效率，并允許制成更小直徑的激光器。
其次是，再生長(zhǎng)使VCSEL結(jié)構(gòu)平面化并有助于電接觸。在由蝕刻形成的自由駐波激光器中，由于其小的尺寸，對(duì)激光器的頂部進(jìn)行電接觸是極其困難的。采用具有平整表面的再生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)激光器的頂部的電接觸可容易而可靠地實(shí)現(xiàn)。另外，再生長(zhǎng)可鈍化由蝕刻造成的側(cè)壁損壞，從而可以終止懸空鍵并抑制非輻射復(fù)合。
對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，可從上述說明中清楚了解本發(fā)明的各種變化。例如，單分層電極可置于VCSEL中的低位鏡和低位隔層之間，或者采用折射系數(shù)比激活區(qū)材料的折射系數(shù)小的介質(zhì)材料替代再生長(zhǎng)AlGaAs區(qū)。此外，圖1、2、3和8中的高位鏡70可分成分別位于分層電極上下的上部和下部，這類似于圖9、10和11中的高位鏡275的劃分。
權(quán)利要求
1.一種縱腔式表面發(fā)射激光器，該激光器產(chǎn)生波長(zhǎng)為λ的輻射，它包括第一和第二鏡，其間界定一個(gè)光學(xué)諧振腔；一個(gè)激活區(qū)，它位于所述的第一和第二鏡之間；和第一分層電極，它基本上位于所述激活層和所述第一鏡之間，所述第一分層電極包括多個(gè)交替排列的高摻雜層和低摻雜層，這些層具有第一電導(dǎo)類型，以便于向所述激活區(qū)注入電流而產(chǎn)生激光，并因此在所述腔中建立起一個(gè)駐波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，它進(jìn)一步包括位于所述激活區(qū)和所述第一分層電極之間的第一隔層;和位于所述第二鏡與所述激活區(qū)之間的第二隔層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，光學(xué)諧腔的長(zhǎng)度為mλ/2neff，這里m為整數(shù)，neff為光學(xué)諧振腔有效折射系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述的低摻雜層和高摻雜層分別被近似地置于駐波的波峰和波谷處，以降低所述第一分層電極中的輻射吸收。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述高摻雜層的厚度均大約等于或小于λ/4n，而所述低摻雜層的厚度均大約等于或大于λ/4n，這里n為相應(yīng)各層的折射系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述高摻雜層和低摻雜層的摻雜濃度分別約為1020/cm3和1018/cm3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述高摻雜層和低摻雜層包括異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，該材料具有適于約束來自各高摻雜層的多數(shù)載流子的能帶隙。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述高摻雜層為AlxGa(1-y)As，而所述低摻雜層為AlyGa(1-y)As，這里x和y值的范圍是0≤x≤1，0＜y≤1，并且x＜y。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述高摻雜層為AlxGa(1-x)As，這里x值的范圍是0≤x≤1，而所述低摻雜層為InyAlcGa(1-y-z)P，這里y和z值的范圍是0≤y≤1，0≤z≤1，并且0≤(y+z)≤1。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述第一電極的一個(gè)低摻雜層最靠近所述第一鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的縱腔式表面發(fā)射激光器，它進(jìn)一步包括用導(dǎo)電率增加離子注入形成一個(gè)環(huán)形離子注入?yún)^(qū)，以便于與所述第一分層電極低阻電接觸、所述環(huán)形離子注入?yún)^(qū)至少包括所述第一電極的最靠近所述第一鏡的低摻雜層。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的縱腔式表面發(fā)射激光器，它進(jìn)一步包括一個(gè)臺(tái)面，所述臺(tái)面至少包括所述第一鏡和所述第一電極的最靠近低摻雜層，所述臺(tái)面使最靠近所述第一鏡的高摻雜層一個(gè)環(huán)形區(qū)域顯露出來，以實(shí)現(xiàn)與所述第一電極的低阻電接觸。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，它進(jìn)一步包括一個(gè)位于所述第二鏡與所述激活區(qū)之間的第二分層電極，所述第二分層電極包括多個(gè)具有第二電導(dǎo)類型的交替排列的高摻雜層和低摻雜層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，它進(jìn)一步包括一個(gè)電流孔，此電流孔用于導(dǎo)引在所述第一分層電極和所述激活區(qū)之間流動(dòng)的電流，所述電流孔包括一個(gè)水平的盤形區(qū)，此盤形區(qū)位于所述第一鏡和所述激活區(qū)之間，所述電流孔有一個(gè)較低電導(dǎo)率的環(huán)形圍繞區(qū)，以促使電流在所述電流孔和所述激活區(qū)之間主要縱向地流動(dòng)，從而建立基模TEM00激光。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述第一鏡的直徑等于或大于第一電流孔的直徑。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述電流孔具有通過除去環(huán)形圍繞區(qū)的材料所形成的側(cè)壁。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述電流孔由采用注入有電導(dǎo)率降低離子的環(huán)形區(qū)所圍繞。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述電流孔是在所述分層電極或其一部分中形成的。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，環(huán)形圍繞區(qū)具有這樣的注入離子濃度，即，在注入?yún)^(qū)中，所述分層電極的低摻雜層是電阻性的，而高摻雜層是導(dǎo)電的。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述高摻雜層包括單量子阱或多量子阱(well)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述第一分層電極位于所述激活區(qū)和整個(gè)所述第一鏡之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述第一分層電極位于所述第一鏡中。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述第一鏡和第二鏡是分配式分布喇格反射器，此反射器包括順序排列的多對(duì)具有高折射系數(shù)和低折射系數(shù)的材料層，每層具有λ/4n的厚度，這里n是相應(yīng)的折射系數(shù)。
24.一種縱腔式表面發(fā)射半導(dǎo)體量子阱激光器，包括一個(gè)襯底;一個(gè)形成于所述襯層上的第一鏡;一個(gè)形成于所述第一鏡上的第一隔層;一個(gè)激活層，它包括至少一個(gè)形成于所述第一隔層的量子阱層，所述激光層產(chǎn)生波長(zhǎng)為λ的輻射;一個(gè)形成于所述激活層上的第二隔層;一個(gè)形成于所述激活層上的分層電極，它包括多個(gè)交替排列的高和低摻雜層，這些摻雜層與所述第二隔層具有相同電導(dǎo)類型，以便將電流引入所述激活層而產(chǎn)生激光;和一個(gè)形成于所述分層電極上的第二鏡，所述第一和第二鏡之間確定了一個(gè)長(zhǎng)度為mλ/2neff的激光諧振腔，這里m為整數(shù)，neff為諧振腔的有效折射系數(shù)，在諧振腔中建立起一個(gè)駐波，而所述低和高摻雜層分別近似地位于駐波強(qiáng)度最大和最小處，以降低輻射吸收。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的激光器，其中，所述第一和第二鏡是分配式布喇格反射器，此反射器包括順序排列的多對(duì)具有高折射系數(shù)和低折射系數(shù)的材料層，每層具有的厚度為λ/4n，這里n為相應(yīng)層的折射系數(shù)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述第一電極的一個(gè)低摻雜層最靠近所述第二鏡;和所述第二鏡中具有低折射系數(shù)的一個(gè)材料層最靠近所述的第一分層電極。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述第一電極的一個(gè)高摻雜層最靠近所述第二鏡;和所述第二鏡中具有高折射系數(shù)的一個(gè)材料層最靠近所述第一分層電極。
28.一種縱腔式表面發(fā)射激光器，包括一個(gè)襯底;一個(gè)形成于所述襯底上的第一鏡;一個(gè)形成于所述第一鏡上的第一隔層;一個(gè)形成于所述第一隔層上的激活區(qū)，它用于發(fā)射波長(zhǎng)為λ的光;一個(gè)形成于所述激活層上的第二隔層;一個(gè)形成于所述第二隔層上的第二鏡，其中，所述第一和第二鏡之間確定一個(gè)激光諧振諧;一個(gè)形成于所述激活區(qū)中的具有所希望的直徑的光學(xué)增益區(qū)，所述光學(xué)增益區(qū)具有一個(gè)低電導(dǎo)率的環(huán)形圍繞區(qū);和一個(gè)金屬層，它具有一個(gè)足夠大的直徑的光孔，以抑制高次模激光，所述金屬層水平地形成于所述第二鏡中或與之相鄰，所述光學(xué)孔縱向與所述光學(xué)增益區(qū)對(duì)準(zhǔn)，并具有等于或小于所述光學(xué)增益區(qū)的直徑。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的縱腔式表面反射激光器，其中所述金屬層的厚度小于400
。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述金屬層近似地位于所述激光諧振腔中形成的駐波強(qiáng)度最大處。
31.根據(jù)權(quán)利要求28的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述第二鏡包括分配式布喇格反射器，此反射器包括交替排列的多個(gè)高和低折射系數(shù)的材料層，每層具有的厚度為λ/4n，這里n為各層的折射系數(shù)，所述金屬層將所述第二鏡分為上部和下部。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述上部位于所述金屬層之上并包括介質(zhì)層。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述下部位于所述金屬層之下并包括半導(dǎo)體層。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述金屬層與所述下部的半導(dǎo)體層歐姆接觸，以將電流引至所述激活區(qū)。
35.根據(jù)權(quán)利要求28的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述光增益區(qū)由采用注入了電導(dǎo)率降低離子的環(huán)形區(qū)所圍繞。
36.根據(jù)權(quán)利要求28的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述光增益區(qū)具有通過除去環(huán)形圍繞區(qū)材料所形成的側(cè)壁。
37.根據(jù)權(quán)利要求28的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，環(huán)形圍繞區(qū)包括具有高的電阻率和比所述激活區(qū)低的折射系數(shù)的再生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料。
38.根據(jù)權(quán)利要求28的縱腔式表面發(fā)射激光器，其中，所述金屬層主要為金。
全文摘要
所公開的縱腔式表面發(fā)射激光器(VCSELs)具有各種腔內(nèi)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)低串聯(lián)電阻、高功率效率和TEM
文檔編號(hào)H01S5/183GK1081541SQ9310674
公開日1994年2月2日 申請(qǐng)日期1993年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1992年5月7日
發(fā)明者J·L·紀(jì)威爾, G·R·奧爾布賴特 申請(qǐng)人:班德加普技術(shù)公司