專利名稱：表面發射半導體激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用作光信息處理光源的表面發射半導體激光器，尤其涉及用作光數據存儲裝置和光通信的光源的表面發射半導體層。
背景技術：
最近，在光通信和光互連技術領域中對能夠容易地實現光源陣列的表面發射半導體激光器的需求增加了。這種激光器又稱作垂直腔表面發射激光二極管(VCSEL)。
已知VCSEL具有低閾值電流，小功率消耗，容易形成圓點和晶片水平評估的優點。另一方面，已知VCSEL具有由低閾值電流導致的有源區的小體積的缺點。尤其是VCSEL具有幾十到幾百歐姆高的器件阻抗而難于啟動。例如，僅由這種器件自身難于獲得10mW的高功率。
已經發展了一種低成本多模光纖，其典型是塑料光纖(POF)，而且已經占領了對短距離光通信(幾米到幾百米)的關注。長距離光通信運用單模光纖和具有例如1.31μm或1.55μm的較長波長的邊緣發射激光二極管的組合。但是，這些器件很貴，不適合用于要求低成本的本地通信。
用于多模光纖的光源要求低成本并且無需特定的光學系統和驅動系統。表面發射激光器滿足這些要求，是作為多模光纖光源的合適侯選之一。
在市場中可以得到的典型的VCSEL是利用熱透鏡效應的所謂質子注入型，其中電流經過區和其外圍區之間的折射率存在微小的基于熱的差異。對于激光振蕩，非質子注入區或電流經過區的尺寸或直徑被設置為等于十到幾十微米。但是，這具有的缺點是，因為弱電流收縮而使得發光效率低并且閾值電流高。而且，由于產生大量熱，器件特性容易降低，并且沒有偏置電壓時的頻率響應也不好。在結構分類中這種質子注入型VCSEL被稱作增益波導結構。
選擇性氧化VCSEL具有專門形成的用于對光限制的折射率分布，因此被歸類到折射率波導結構。在這種選擇性氧化VCSEL中，在有源區的鄰近區域中半導體多層反射層的一部分被選擇性氧化由此限定了折射率波導通路。如此限定的區域具有強的光限制效應，因此實現了高效率和低閾值電流。此外，可以容易地制造具有良好頻率響應的VCSEL，其中調制帶寬(3dB下截止頻率)的范圍從幾GHz到幾十GHz。
雖然VCSEL具有上述的許多優點，但是為了增大輸出而把發光部分的直徑增加到大于10μm的情況下可能產生各種高次振蕩，并表現出所謂的多模振蕩特征。如果光譜寬度擴展到超出多模振蕩中的給定范圍，由于光纖的模式色散特性，增加了光衰減。而且，注入電流量或周圍溫度的變化可能引起模的橫向模式不穩定性，以致易于發生模式色散噪音。而且，光束發散角的增加可能降低與光纖的耦合效率。
通過收縮發光區的直徑(典型小于4μm)和把振蕩限制到僅最小次數的基本(零次數)橫向模式的方法可以提高模式特性。但是，這種方法遇到了一個問題，就是器件的阻抗高并且不能期望高功率輸出。
需要提供一種折衷解決辦法，用于穩定在與光纖的光耦合中防止衰減所必需的橫向模式，減小光束發散角和阻抗，和高功率輸出，而不損失選擇性氧化VCSEL的高發光效率和良好頻率響應的特征。
許多建議的VCSEL意圖控制振蕩模式。例如，美國專利第5,940,422號描述了一種VCSEL，采用具有不同膜厚的兩個區進行模式控制。該建議限定了膜厚度等于振蕩促進區和振蕩抑制區之間的1/4。
美國專利第5,963,576號公開了一種具有環形波導通路的VCSEL。在柱體的頂表面上形成圓形凹陷，和在凹陷周圍設置環形發光區。
日本未審專利公開第2001-210908號公開了一種單橫向模式半導體激光器，具有10μm或更大直徑的電流供給通路，并且使得發光窗小于電流供給通路的直徑。
但是，這些建議都沒有滿足用于多模光纖的光源的前述要求。即，沒有實現在保持橫向模式穩定性的同時具有小光束發散角，低阻抗，高功率，高效率和高頻響應的激光器件。
發明內容
鑒于上述情況提出了本發明，并提供了一種表面發射半導體激光器以克服上述缺陷。
根據本發明的一個方面，表面發射半導體激光器具有襯底，在其上形成有諧振器，諧振器包括下反射鏡，有源區，和上反射鏡；金屬層，設置在上反射鏡上并具有限定在有源區產生的激光的輸出區的第一孔；和光限制區，設置在金屬層和下反射鏡之間并具有限定激光發光區的第二孔，第二孔具有等于或大于12μm的直徑，第一孔具有比第二孔直徑小1到5μm的直徑，由發光區發射的激光具有多模，包括選自預定波長范圍的多個次數。
根據本發明的另一方面，表面發射半導體器具有襯底；設置在襯底上的第一導電類型的第一半導體反射層；設置在第一半導體反射層上用于產生激光的有源區；設置在有源區上的第二導電類型的第二半導體反射層；設置在第二半導體反射層上并具有激光輸出孔的金屬層；和置于第一和第二反射層之間且具有由高阻部分環繞的導電部分的電流收縮區，金屬層的孔小于電流收縮區的導電部分，金屬層的孔和電流收縮區的導電部分具有允許發射的多模激光通過金屬層的孔的尺寸，除了關注的次數外，多模還包括在從關注次數的激光的最大輸出電平到低于最大輸出電平20dB的電平的范圍內產生大于其它次數的光輸出的不同于關注的次數的至多兩個次數。
根據本發明的另一方面，表面發射半導體激光器具有襯底；設置在襯底上的第一導電類型的第一半導體反射層；設置在第一半導體反射層上并產生激光的有源區；設置在有源區上的第二導電類型的第二半導體反射層；設置在第二半導體反射層上并具有激光發射孔的金屬層；和設置在第一和第二半導體反射層之間并具有由高阻部分環繞的導電部分的電流收縮區，導電部分具有等于或大于12μm的直徑，金屬層的孔具有比導電部分的直徑至少小1μm的直徑，并允許多模激光。
以下將參照附圖詳細說明本發明的優選實施例，其中圖1A是根據本發明第一實施例的表面發射半導體激光器的截面圖，截面圖是沿著如圖1B所示的X1-X1線截取的；圖1B是如圖1A所示的半導體激光器的平面圖；圖1C是如圖1A所示的半導體激光器的部分的示意性透視圖；圖2A是根據本發明第二實施例的表面發射半導體激光器的截面圖；圖2B是如圖2A所示的半導體激光器的示意性透視圖；圖3A是根據本發明第三實施例的表面發射半導體激光器的截面圖，截面圖是沿著如圖3B所示的X2-X2線截取的；圖3B是如圖3A所示的半導體激光器的平面圖；圖3C是如圖3A所示的半導體激光器的部分的簡圖；圖4A和4B是顯示根據本發明的第一實施例的表面發射半導體激光器的光輸出—注入電流(L-I)特性中的上電極中的孔的直徑(D1)的依賴性的圖；圖5是顯示根據本發明的第一實施例的表面發射半導體激光器的光輸出—注入電流(L-I)特性中的上電極中的孔的直徑(D1)的的依賴性的圖；圖6A和6B是顯示在遠場圖像中的依賴性(D1)的圖；圖7A和7B是顯示光束發散角和光譜寬度中的孔直徑(D1)的依賴性的圖；圖8A和8B是顯示光束發散角和光譜寬度中的孔直徑(D1)的依賴性的圖；圖9A，9B和9C是顯示在濾模效應存在/不存在的情況下光譜寬度的變化的圖；圖10A，10B和10C是顯示在濾模效應存在/不存在的情況下光譜寬度的變化的圖；和圖11A和11B是在小信號頻率響應中的孔角(D1)的依賴性的圖。
具體實施例方式
將給出根據本發明實施例的表面發射半導體激光器的說明。通過求解關于在光纖中的光傳播特性的色散方程可以獲得在VCSEL發光區中產生的光模。通常，VCSEL在線性偏振模中振蕩。始于基模(表示為LP01)，隨著重復的光分裂例如LP11和LP21繼續振蕩，并變化到光學可以容許的最高次數模。
以下文章報道了在每一模中獲得的模型式(mode pattern)(電場強度分布)Applied Optics，15卷第1期第239-243頁。振蕩繼續到LP11模，其中LP11模的每一點被分裂成兩點，繼續到LP21模，其中LP01模的點被分裂成兩點。接著，振蕩發展到LP31，LP41和LP51模，其中LP01模的點被分別分裂成六，八，十。為了簡化，LP01模有時稱為基本(零次數)橫模，LP11稱為第一次數橫向模式和LP21稱為第二次數橫向模式。
LP21之上的振蕩模具有如把點有規律地設置在一個設想的圓上的拓撲性質。在實際的激光振蕩中，存在許多其它的振蕩模，用LPnm表示，其中n是等于或大于零的整數，m是自然數。激光振蕩不允許任意的振蕩模式，而是具有中心對稱的重復型式。因此大體上，通過根據期望模形狀向光發射區提供反射率或調制的分布可以容易地在期望模中選擇性地產生振蕩。
根據本發明的一個方面，提供了一種具有基于上述考慮的模控制的VCSEL。以下將參照附圖詳細說明這種VCSEL。
首先，將說明上金屬層和光限制區之間的位置或數量關系，上金屬層中第一孔用于橫向模控制，光限制區限定了用于形成發射區的第二孔。
第一實施例圖1A是根據本發明第一實施例被氧化限制的VCSEL的截面圖，圖1B是VCSEL的平面圖，圖1C是可以看到內部結構的透視圖。具體地說，圖1A是沿圖1B所示的線X1-X1截取的截面圖。在圖1C中，為了簡化省略了某些結構元件。
表面發射半導體激光器包括n型GaAs襯底1，作為反射鏡的n型下多層反射層2，未摻雜有源區3，p型AlAs層4，作為另一反射鏡的p型上多層反射層5，p型接觸層6，層間絕緣膜8，p型上電極9，n型背面電極10，發光區11，和光限制區12，光限制區12也用作電流收縮區。
這些層的疊層形成一個柱體(臺或柱)形狀。柱體結構具有如圖1C所示的圓柱形狀。在上電極9的頂部的中心形成用于限定發光區11的圓形孔9a。上電極9沿著柱體的側表面從柱體的頂部延伸到柱的底部。雖未示出，如此延伸的電極與向其提供電流的電極焊盤部分連接。
通過從柱體的側表面選擇性氧化AlAs層4來形成光限制區12。通過控制自柱體側壁的氧化距離，可以限定光限制區12的期望尺寸。原始的AlAs層4由光限制區4a環繞。圖1C簡要地描述了在平行于襯底1的平面上的中心形成的孔9a的直徑D1和光限制區12的內徑D2或AlAs層4的外徑D2之間的關系。如隨后的說明，優選地，孔的直徑D1小于光限制區12的內徑D2。優選地，孔9a和光限制區12的中心相互對準以便與柱體的光軸一致。
上電極9可以由Au-Zn/Au構成。通過熱氧化作為上多層發射層5的最下層并鄰近有源區的AlAs層獲得了電流收縮區12。通過熱氧化把AlAs層轉變成Al2O3并用作高阻抗區或絕緣區。AlAs氧化層具有低折射率。
發明人實施了一個實驗，其中相對由光限制區12限定的孔的四個直徑D2(即，10μm，12μm，14μm和15μm)不同地改變孔9a的直徑D1。接著，發明人測量了L-I-V(光輸出，注入電流，和外加電壓)特性，振蕩光譜，遠場圖形和頻率響應。
圖4A和4B顯示了激光器件的注入電流(mA)和所得光輸出(mW)之間的關系，并顯示了由光限制區限定的孔具有12μm和15μm的直徑D2時，孔的直徑D1的依賴性。從圖4A和4B可以看出，隨著直徑D1減小，對于相同的注入電流，光輸出減小。當孔直徑D1減小到比孔直徑D2大約小3μm時，發生光輸出的明顯減少。這可能是因為通過收縮直徑D1使上電極9的增加區域遮住了從有源區3中的發光區發出的光。
圖5顯示了供給到激光器件的電流(mA)和所得光輸出(mW)之間的關系。尤其是，圖5顯示了光限制區12的孔具有10μm的直徑D2時，孔的直徑D1的依賴性。孔9的直徑D1以1μm為基礎從10μm到15μm逐步地變化。從圖5可以看出，對于光限制區12的10μm直徑D2幾乎觀察不到孔9a的直徑D1的依賴性。即，不管孔9a的直徑D1多大，獲得了幾乎相同的光輸出。
圖6A和6B顯示了在圖5情況下觀察到的遠場圖形。尤其是，圖6A顯示了當光限制區12限定的孔直徑D2是12μm，孔9a的直徑D1變化到8μm，9μm，10μm，12μm，14μm，16μm時觀察到的遠場圖形。圖6B顯示了當孔直徑D2是15μm，孔9a的直徑D1如上述變化時觀察到的遠場圖形。在圖6A和6B中，橫和縱軸代表光束發散角。遠場圖形反映出孔直徑D1的依賴性比依賴于外加電流的光輸出更明顯。即，當直徑D1是大約比直徑D2小1μm時，光束發散角趨于更小。雖然沒有清楚地表示，但實際的測量結果顯示出在圖6A的情況下(D2＝12μm)，對于12μm直徑D1的遠場圖形具有在中心深圖像(deep image)周圍擴展并比10μm的直徑D1獲得的圖像寬闊的淡圖像(light image)。在圖6B的情況下(D2＝15μm)，對于16μm直徑D1的遠場圖形具有在中心深圖像周圍擴展并比14μm的直徑D1獲得的圖像寬闊的圖像。認為上述現象是因為通過收縮直徑D1使得上電極9的增加區域遮住了從特定模中的發光區發出的光，而且因為在特定模中振蕩的抑制減少了振蕩模的數量。
通過測量如圖7A，7B，8A和8B所示的光譜寬度的結果證實了上述觀點。尤其是，圖7A和7B分別顯示了當光限制區12的直徑D2是12μm和15μm時獲得的實驗結果，圖8A和8B分別顯示了當光限制區12的直徑D2是10μm和14μm時獲得的實驗結果。在圖7A，7B，8A和8B中，橫軸代表孔9a的直徑D1，在左側的縱軸代表光束發散角(1/e2)。在右側的縱軸代表光譜寬度(半峰時的全寬度RMS(均方根)值)，圓形標記代表光束發散角，方形標記代表光譜寬度。光輸出恒等于2mW。
如圖7A所示，在由光限制區12限定的孔直徑D2是12μm的情況下，光束發散角和光譜寬度都單調遞減。如圖7B所示，在由光限制區12限定的孔直徑D2是15μm的情況下，光束發散角和光譜寬度都單調遞減，但是光譜寬度在這一過程中變為快速增加。這可能是因為RMS測量自身和因為激光器性能的不連續變化。
如圖8A所示，在由光限制區12限定的孔直徑D2是10μm的情況下，不管孔直徑D1的變化如何，光束發散角和光譜寬度都基本上是常數。這表明當孔直徑D2變成等于大約10μm，小于12μm時，光束發散角和光譜寬度就不大取決于孔直徑D1。如圖8B所示，對于14μm的孔直徑D2，隨著孔直徑D1的減小，光束發散角和光譜寬度都趨于減小。
光譜寬度取決于孔直徑D1的變化被稱作濾模效應，而且其來自于對包含在多模振蕩的激光中的某些振蕩模進行抑制的結果。如圖9A，9B，和9C和圖10A，10B和10C所示，光譜寬度的某些變化與濾模效應的存在/不存在相關聯。
圖9A顯示了D1＝13μm，和D2＝13μm的情況，圖9B顯示了D1＝11μm，和D2＝15μm的情況。圖9C顯示了D1＝12μm，和D2＝15μm的情況。圖10A顯示了D1＝12μm，和D2＝14μm的情況，圖10B顯示了D1＝11μm，和D2＝14μm的情況。圖10C顯示了D1＝11μm，和D2＝13μm的情況。
如圖9A所示，當孔直徑D1和D2彼此相等時，光譜寬度是0.87nm那么大，高次數模的輸出電平中出現小差異。如圖9B所示，當孔直徑D1是比孔直徑D2小4μm時，光譜寬度減小到0.68nm，高次數模的輸出電平減小。如圖9C所示，當孔直徑D1是比孔直徑D2小3μm時，光譜寬度進而減小到0.49nm，并且零次數，第一次數，第二次數模的輸出電平與其它高次數模相比明顯突出。在這種情況下，存在從最大輸出電平到一個比最大輸出電平低20dB的電平的范圍內的三種不同次數的模，而其它高次數模存在于該范圍之外。
如圖10A所示，當孔直徑D1是比孔直徑D2小2μm時，光譜寬度減小到0.36nm，并且激光輸出包含在從最大輸出電平到降低20dB的電平的范圍內的三個連續次數的模(零次數，第一次數和第二次數模)。甚至在圖10B和10C的情況下，光譜寬度分別等于0.31nm和0.25nm，并且三個連續次數的模存在于自最大輸出電平的該給定范圍內。如上所述，當孔直徑D1充分大于孔直徑D2時，隨著模數量的增加光譜寬度增加。相反，當孔直徑D1逐漸減小時，抑制了較高次數模的振蕩并減小了光譜寬度。
由上述的實驗結果總結出，隨著孔直徑D1變得更小，光束發散角和光譜寬度都減小，使得可以提高模的穩定性并可以提高耦合效率。但是，考慮到除了光束發散角和光譜寬度外，光輸出與高頻特性關系密切，應該確定孔直徑D1和D2之間的優選數值關系。這是因為光輸出隨著孔直徑D1減小而減小，以致可能抵消耦合效率的提高。
作為參考，本發明人從針對相同光輸出觀察的小信號頻率響應特性的比較和評估中導出了優選數值關系。比較和評估的結果如圖11A和11B所示。在如圖11A所示具有12μm的孔直徑D2的器件中，孔直徑D1的依賴性小。器件在上金屬層9中的孔直徑D1等于16μm，遠大于由光限制區12限定的孔直徑D2，對于該器件當頻率上升到高于7GHz時，僅觀察到頻率響應的小劣化。相反，對于具有15μm的孔直徑D2的器件，當孔直徑D2是8μm或9μm時，觀察到頻率響應明顯地劣化。
當整體考慮上述結果時，可以獲得以下結論。雖然在D2-D1≥1μm的條件下觀察到光束發散角或光譜寬度的變化充分地減小，但小信號頻率響應的比較顯示出D2-D1≤5μm的條件是性能不會降低的界限。而且，此時在整個注入電流范圍中獲得的器件阻抗是大約50 Q那么低，使得器件滿足低阻抗率的要求。
第二實施例將說明根據本發明第二實施例的表面發射半導體激光器件。在本發明的上述第一實施例中，利用形成在上多層反射層5的表面上并用于橫向模控制的上電極9作為通過其給器件供給電流的電極。相反，根據本發明的第二實施例，與上金屬層分離地設置用于向器件供給注入電流的電極，因此上金屬層僅用于橫向模控制。而且，在襯底1的前表面上設置n側電極，而不是在襯底1的背表面上設置n側背面電極。在以下說明中，與前文中說明的相同的部分采用相同的參考標號。
圖2A是根據本發明第二實施例的VCSEL的截面圖。VCSEL包括用于橫向模控制的上金屬層21，p側電極22和n側電極23，還有未摻雜的GaAs襯底1，n型下多層反射層2，未摻雜有源區3，p型AlAs層4，上多層反射層5，p型接觸層，層間絕緣膜8，發光區11和光限制區12。
其范圍從上金屬層21到接觸層6的疊層具有柱體結構。在柱體疊層中在上多層反射層5和接觸層6之間連接p側電極22。在層間絕緣膜8上延伸p側電極22，并與用于向器件供給注入電流的電極焊盤部分連接。通過蝕刻多層半導體層可以形成上多層反射層5。另選地，具有絕緣層疊層的電介質鏡可以設置在p側電極22上。
在半導體襯底1上n側電極23通過在層間絕緣膜8和有源區3中形成的接觸孔23a與下多層反射層2電連接。n側電極23在層間絕緣膜8上延伸，與另一電極焊盤部分連接，為了簡化沒有顯示該電極焊盤部分。p側和n側電極的抽取區被設置在同一側上，這使得易于設置鍵合引線和形成金屬凸點。
圖2B是如圖2A所示器件的透視圖，為了看清器件的內部結構從圖中省略了某些元件。第二實施例采用方形柱或矩形柱的柱體結構，而第一實施例采用圓柱的柱體結構。由上金屬層21限定的孔具有直徑D1，而D2代表由光限制區12環繞的導電部分的直徑。在垂直于柱體結構的軸方向的方向上柱體結構的截面具有大致方形形狀，對角線的長度是D2。關于上電極21用于提供注入電流的設計和柱體形狀之間沒有相互的依存關系。在第一實施例的柱體是方形或矩形柱體的變型與第二實施例的柱體是圓柱體的變型之間沒有實質的差異。
第三實施例將參照附圖3A，3B和3C說明根據本發明的第三實施例的VCSEL。圖3A是VCSEL的截面圖，圖3B是它的平面圖，圖3C說明了層中孔之間的關系。本實施例對應于第一實施例的變型，與其不同的是襯底上的柱體或疊層結構。尤其是，設置用于保護接觸層6的表面和支持橫向模控制的保護膜。第三實施例的其它部分與第一實施例的相應部分是相同的，與先前一樣用相同的參考標號表示。
保護膜7由電介質材料構成并設置在柱體結構的接觸層6上。保護膜7具有圓形形狀，其中心最好與由光限制區12限定的孔中心和柱體結構的光軸對準。保護膜7的外徑大于上電極9中孔9a的直徑D1。上電極9的端部在保護膜7上延伸。圖3C顯示了上電極9的孔(D1)，保護膜7和由光限制區12限定的孔(D2)之間的關系。標號D3代表保護膜7的外部邊緣部分與上電極9的端部重疊的重疊部分。
由此形成的保護膜7起到了增強橫向模控制效果的作用。尤其是，在重疊部分D3中多層膜的反射率顯著減小，由此與由上金屬層9的單層進行橫向模控制相比有效地減少了模的數量。
重疊部分D3的寬度與減少的模數量及上電極9中孔的直徑D1和由光限制區12限定的孔的直徑D3具有密切的關系。隨著重疊長度D3的增加，模的數量趨于減少。但是，當存在D2＞D1+(2×D3)的條件時，將很快喪失減少模數量的效果。因此需要在三者之間選擇合適的關系。
在晶體生長之后通過第一工序設置保護膜7。因此，保護膜7用于防止發光區11在處理過程中或在完成器件之后暴露于溶液或大氣，因此保護膜7用于防止激光器件品質變壞。
將給出根據本發明的上述實施例的VCSEL的具體結構和這些VCSEL的制造方法的說明。
如圖1A和1B所示，本發明第一實施例的VCSEL具有通過MOCVD(金屬有機物化學氣相沉積)在n型GaAs襯底1的(100)表面上依次層疊的下多層反射層2，有源區3，p型AlAs層4，上多層反射層5，和層6。下多層反射層2包括n型Al0.8Ga0.2As層和n-Al0.1Ga0.9As層的多層疊層。有源區3是隔離層，阻擋層和量子阱層的疊層。隔離層是未摻雜的Al0.4Ga0.6As層。阻擋層是未摻雜的Al0.2Ga0.8As層。量子阱層是未摻雜的GaAs層。上多層反射層5包括p型Al0.8Ga0.2As層和p-Al0.1Ga0.9As層的多層疊層。
下多層反射鏡2是由多對n型Al0.9Ga0.1As層和n型Al0.3Ga0.7As層構成的。每層是λ/4nr厚，其中λ是振蕩波長，nr是介質的折射率。具有不同組成比率的成對的層交替地層疊達到36.5周期的厚度。在摻雜n型雜質硅之后，下多層反射鏡2的載流子濃度是3×1018cm-3。
有源區3具有疊層，其中8nm厚的未摻雜的GaAs層的量子阱有源層和5nm厚的未摻雜的Al0.2Ga0.8As層的阻擋層交替層疊，其中外層是阻擋層。上述疊層設置在未摻雜的Al0.4Ga0.6As隔離層的中心。設計包括量子阱有源層和阻擋層的隔離層，使其具有等于λ/nr的整數倍的厚度，其中λ是振蕩波長，nr是介質的折射率。具有850nm波長的光從如此形成的有源區3射出。
上多層反射鏡5是由多對p型Al0.8Ga0.2As層和p型Al0.1Ga0.9As層構成的。每層是λ/4nr厚，其中λ是振蕩波長，nr是介質的折射率。具有不同組成比率的成對的層交替地層疊達到22周期的厚度。周期的數量包括下AlAs層和上接觸層6。對于AlAs層4，僅通過AlAs形成具有λ/4nr厚的這一層不是必需的。相反，如果AlAs層太厚，可能增加光分布損失。考慮到上述情況，AlAs層4是30nm厚，剩余部分是Al0.9Ga0.1As。在摻雜p型雜質碳之后，下多層反射鏡5的載流子濃度是5×1018cm-3。
上多層反射層5的周期數(層數)小于下多層反射層2是因為如此形成的差異造成光從襯底1的上側發出。為了減小柱體中的串聯阻抗，實踐上，在上多層反射層5的p型Al0.9Ga0.1As層和p型Al0.15Ga0.85As層之間插入中間(遞變(graded))層，中間層具有介于Al0.8Ga0.2As層的Al組成比率和Al0.1Ga0.9As層的Al組成比率之間的Al組成比率。為了簡明沒有顯示這種中間層。
作為p型GaAs層的接觸層6具有20nm那樣薄的厚度，并在作為p型雜質的鋅被摻雜之后具有1×1019cm-3的載流子濃度。
從生長室中移出晶片或激光器襯底，晶片由依次在半導體襯底1上層疊的下多層反射鏡2，有源區3，上多層反射鏡5和接觸層6構成。接著，各向異性蝕刻晶片以形成如圖1B或1C所示的圓柱體。此時蝕刻深度到達部分有源區3的一部分。這是因為在通過隨后的氧化工序形成光限制區12時，需要暴漏原始AlAs層4的側表面。光限制區12也用作電流收縮區。對于選擇性氧化激光器件，至少從柱體的側表面暴露AlAs層4，并且蝕刻深度可以超過有源區3并延伸到下多層反射層3的一部分。
在上多層反射層5經過上述的臺面(柱體)工序之后，在360℃把半導體襯底1暴露于具有包含氮的載氣(流速2l/分鐘)的水蒸汽氛圍40分鐘，由此氧化了半導體襯底1。作為上多層反射層5m的一部分的AlAs層4具有比也是上多層反射層5的一部分的Al0.8Ga0.2As層或Al01Ga0.9As層高的氧化速率。因此，正好在作為主體一部分的有源區3之上形成反映柱體形狀的AlAs氧化區。剩余的非氧化區用作電流注入區或導電區。即，氧化區是電流收縮區，此外因為氧化區具有大約等于外圍半導體層折射率一半(～1.6)的折射率，它還用作光限制區12。通過上述工序，可以形成由光限制區12限定的孔(D2)。
此后，在襯底1的上表面上(包括柱體的側表面)形成絕緣膜(例如二氧化硅)，并進行構圖以暴露柱體上的僅接觸層6的一部分。由此形成的絕緣膜是層間絕緣膜8。
接著，在柱體的頂部上設置p側上電極9以與接觸層6電接觸。為了在上電極9的中心限定用于發光或模控制的孔9a，用構圖的光刻膠膜除去上電極9。由此形成的孔9a具有反映柱體形狀的圓形(D1)。
最后，在襯底1的背面上形成n側背面電極10，由此可以獲得如圖1A到圖1C所示的VCSEL。
將給出根據本發明第二實施例的VCSEL制造方法的說明。
如圖2A和2B所示，本發明第二實施例的VCSEL具有通過MOCVD在n型GaAs襯底1的(100)表面上依次層疊的下多層反射層2，有源區3，p型AlAs層4，和層6。下多層反射層2包括多對n型Al0.8Ga0.2As層和n-Al0.1Ga0.9As層的疊層。有源區3是隔離層，阻擋層和量子阱層的疊層。隔離層是未摻雜的Al0.4Ga0.6As層。阻擋層是未摻雜的Al0.2Ga0.8As層。量子阱層是未摻雜的GaAs層。在摻雜n型雜質硅之后，AlAs層4是20nm厚并具有3×1018cm-3的載流子濃度。在摻雜p型雜質鋅之后，p型GaAs接觸層6是20nm厚并具有1×1019cm-3的載流子濃度從生長室中移出在其上層疊有半導體層的晶片或激光器襯底，并蝕刻該疊層以具有矩形柱形狀。在蝕刻中，由于隨后的氧化工序，蝕刻深度到達有源區3，其中在氧化工序中為了限定電流收縮/光限制區12，自柱體的側表面選擇性地氧化AlAs層4。
把暴露AlAs層4的由疊層構成的矩形柱在360℃暴露于具有包含氮的載氣(流速21/分鐘)的水蒸汽氛圍40分鐘，由此從柱體的側表面氧化了暴露的AlAs層4。由此產生光限制區12。從柱體正上方的位置觀察，光限制區12具有大致矩形平面形狀，且它的對角線長度如圖2B中孔直徑D2所示。
此后，在襯底1的上表面上(包括柱體的暴露側表面)形成絕緣膜8，然后為了形成p側和n側電極，蝕刻絕緣膜8。尤其是，蝕刻在柱體的底部上的絕緣膜8和有源區3以形成暴露下多層反射層2的接觸孔23a。
接著，在柱體的頂部上形成環形p側電極22以與接觸層6電接觸。同時在n側電極23中形成接觸孔23a以與下多層反射層2電接觸。在p側電極22中孔的直徑大約等于或大于由光限制區12限定的孔的直徑。
接著，淀積TiO2層和SiO2層的多層層疊的電介質多層膜24，而且通過搬離(liftoff)在襯底表面上柱體的中心部分形成上多層反射層24。與下多層反射層2中一樣，每層具有λ/4nr的厚度。TiO2層和SiO2層相互層疊達到十周期的厚度。周期數不包括在下面的AlAs層4和接觸層6。但是，上多層反射層24與AlAs層4和接觸層6一起起作用。
最后，在柱體的頂部上形成由單Au層形成的用于模控制的上金屬層21，并在其中心形成孔。由此，完成了如圖2A和2B所示的VCSEL。上電極21不由Au構成，而是采用能夠在近紅外范圍內很好地反射光，甚至以薄膜形式并規定在元素周期表中的金屬。這種金屬的實例是Ag，Ti，Pt，Ni，Mo，Cr或它們的合金。
本發明第三實施例的VCSEL具有通過MOCVD在n型GaAs襯底1的(100)表面上依次層疊的下多層反射層2，有源區3，p型AlAs層4，上多層反射層5，和層6。下多層反射層2包括成對的n型Al0.8Ga0.2As層和n-Al0.1Ga0.9As層的疊層。有源區3是隔離層，阻擋層和量子阱層的疊層。隔離層是未摻雜的Al0.4Ga0.6As層。阻擋層是未摻雜的Al0.2Ga0.8As層。量子阱層是未摻雜的GaAs層。上多層反射層5包括成對的p型Al0.8Ga0.2As層和p-Al0.1G0.9As層的疊層。
接著，通過RF濺射在襯底1的整個表面上淀積SiO2，并光刻SiO2形成具有14μm直徑的圓形。由此成形的SiO2膜是保護膜7。隨后的步驟與本發明的第一實施例的步驟相同，這里省略對它們的說明。
優選地，保護膜7具有等于λ/2nr整數倍的厚度，由此不會影響發射特性。但是，在實踐中，一種相當大的可能就是在處理過程中可能減小膜的厚度。而且，如果最終的膜厚變得等于(2i+1)λ/4nr(i整數)，可能影響諧振器的反射特性。應該考慮厚度的損耗仔細確定保護膜7的厚度。當采用SiO2時，估計λ/4nr的值是大約120nm(λ＝850nm的情況)。因此，可以淀積SiO2到大約10nm的非常小的厚度或大約240nm的非常大的厚度。
在發明的第一和第三實施例中，上多層反射層5是p型，下多層反射層2是n型。可以互換反射層2和5的極性并采用導電類型之一是具有低電導率本征型的布置，設想一個腔內型VCSEL。通常地，與n型層相比，有一個問題就是，由于帶中斷(禁帶)和由自由載流子(自由電子)造成的大量光吸收，p型層具有大的器件阻抗。因此，形成p型上多層反射鏡5的層數增加可能降低激光器的特性。從以上的觀點，優選具有比n型多層反射鏡2層數小的p型多層反射鏡5的層數。
但是，從另一種觀點，器件的阻抗與面積成反比例。因此，成形為柱體的上多層反射鏡5可以作為增加器件阻抗的一個因素。因此，對于相同的面積，優選把n型上多層反射鏡成形為柱體。因此，可以從多方面觀點，包括發射方向，器件阻抗和與驅動電路的匹配，來確定上多層反射層5的導電類型。
在本發明的第一到第三實施例中，量子阱層由GaAs構成。但是，量子阱層不限于GaAs，還可以由III-V族化合物半導體例如AlGaAs，InGaAs或GaInNAs構成。
在本發明的第一到第三實施例中，MOCVD用于晶體生長。另選地，可以通過另一種方法例如MBE(分子束外延)層疊半導體層。
在本發明的第一到第三實施例中，上多層反射層用作發射層。可以在形成上多層反射層時通過控制膜生長條件把具有結合界面區的發射層結合到下層或內層。
最后，本發明的上述說明概括如下。
根據發明的一個方面，表面發射半導體激光器具有襯底，其上形成有諧振器，諧振器包括下反射鏡，有源區，和上反射鏡；金屬層，設置在上反射鏡上并具有用于限定在有源區產生的激光的輸出區的第一孔；和光限制區，設置在金屬層和下反射鏡之間并具有限定激光發光區的第二孔，第二孔具有等于或大于12μm的直徑，第一孔具有比第二孔直徑小1到5μm的直徑，由發光區發射的激光具有多模，包括選自預定波長范圍的多個次數。
金屬層的第一孔的直徑D1和由光限制區12限定的第二孔的直徑D2之間的差值被設置為合適的值，即，第一孔的直徑D1是比第二孔的直徑D2小1到5μm。這控制了發射的激光的橫向模并穩定了多模激光振蕩。也就是說，金屬層的第一孔抑制了特定模的發光。這基于的原理是在發光區產生的特定振蕩模的點被光輸出區(第一孔)遮蓋。這增加了光損耗并最終抑制了振蕩的特定模。當第二孔的直徑設置為等于或大于12μm，可以減小閾值電流并穩定多模振蕩的激光和在給定范圍內抑制其光束發散角和光譜寬度。這抑制了與光纖耦合效率的降低。
金屬層可以由在元素周期表中規定的一種金屬的材料構成。已知作為在近紅外范圍反射光的材料甚至是薄膜形式的一種金屬，優選把這種金屬用作反光材料。當孔用二維表示說明時，孔可以具有圓形，橢圓形，矩形，方形和多邊形形狀。孔的直徑被定義為平面圖形上連接兩點的最長直線。另選地，孔的直徑被定義為平面圖形上每一連接兩點的直線的平均值。
光限制區可以包括其折射率低于形成上和下反射鏡的材料的折射率的材料。由此設定的光限制區形成折射率波導通路。這形成了用于在金屬層和下反射鏡之間限定發光區的光孔。在高速調制下，折射率波導型的激光器具有高頻響應。
光限制區具有收縮電流的作用。也就是說，光限制區可以包括包含氧化的高阻抗部分的電流收縮區。通過利用這種用于光限制區形成的半導體氧化技術，不但可以減小折射率而且可以減小區域的導電率。這種氧化區是用于電流收縮/光限制的絕緣區。優選地，實施氧化的半導體層是由AlAs或AlGaAs構成。半導體層的選擇性氧化產生了Al2O3基底絕緣物或高阻抗區。由此由于有效的電流收縮可以實現高傾斜(slope)效率和低閾值電流。
優選地，多模是線性偏振模并包括在其中的第一次數模或較高次數模。多模包括給定波長范圍內激光的多個次數，和受抑制的光譜寬度和光束發散角。因此可以不降低與光纖耦合的效率而高效地傳輸光信號。
表面發射半導體激光器可以包括從上反射鏡延伸到光限制區的柱體結構。光限制區包括一個通過從側表面選擇性氧化柱體所限定的區。由此形成的氧化區限定了第二孔的直徑。因為從柱體的側表面向內部推進的氧化，在柱體結構中的光限制區的第二孔優選是氧化區。
當柱體結構是近圓柱體時，第一和第二孔是優選圓形的。此外，第一和第二孔可以具有矩形，多邊形或橢圓形截面的柱體。當第一和第二孔具有圓柱體(它的平面圖形是圓或橢圓形)時，柱體結構的中心容易與孔的中心軸對準。附加的一個優點就是，自柱體側表面的氧化距離易于變平并且可以準確地限定第二孔。
下反射鏡可以包括第一導電類型的多層半導體層，上反射鏡包括第二導電類型的多層半導體層。金屬層與上反射鏡電連接并用作一個通過其向上反射鏡供給電流的電極。金屬層用作一個用于注入激光振蕩電流的電極，也控制發射的激光的橫向模式。上反射鏡可以包括接觸層，為了減小與金屬層的連接的阻抗(與接觸層的歐姆接觸)，接觸層具有高雜質濃度。金屬層可以由多種金屬的合金或金屬層的疊層構成。金屬層可以包含選自Au，Ag，Pt，Ti，Ni，Mo和Cr組中的至少一種金屬。
表面發射半導體激光器還可以包括置于上反射鏡和光限制區之間的第一電極層，第一電極層具有與由光限制區限定的第二孔對準的第三孔。
上反射鏡可以包括層疊在第一電極層上的電介質鏡。通過在第一電極層上設置柱體或柱形狀的電介質鏡，可以實現與通過蝕刻多層半導體層限定柱體結構獲得的另一類型柱體相比較低的柱體高度。通過包括蝕刻的比較容易的工藝可以制造具有電介質鏡的柱體。
可以構造表面發射半導體激光器，使其還包括設置在上反射鏡上的電介質材料保護層，其中保護層具有大于金屬層第一孔直徑的直徑，而且金屬層的端部位于保護層的外邊緣部分上。在上反射鏡上的保護層保護鏡表面免于大氣和蝕刻劑引起的污染和腐蝕。因為保護層由電介質構成，在金屬層的端部覆蓋保護層的位置，鏡反射率顯著降低。與僅由金屬層控制橫向模式的情況相比，這有效地減少了模的數量。電介質保護層的實例是二氧化硅層，并且最好具有比由光限制區限定的第二孔的直徑小的直徑。
表面發射半導體激光器可以如此構造上反射鏡包括具有相當高雜質濃度的接觸層；并且金屬層與接觸層電連接。由此可以從襯底的同一表面抽取不同導電類型的電極并且便利于引線鍵合和用凸點連接。可以用倒裝芯片連接來安裝激光器件。當襯底由半導體物質構成時，可以在其背面上設置電極。
根據本發明的另一方面，表面發射半導體激光器包括襯底；設置在襯底上的第一導電類型的第一半導體反射層；設置在第一半導體反射層上用于產生激光的有源區；設置在有源區上的第二導電類型的第二半導體反射層；設置在第二半導體反射層上并具有激光輸出孔的金屬層；和置于第一和第二反射層之間并具有由高阻部分環繞的導電部分的電流收縮區，金屬層的孔小于電流收縮區的導電部分，金屬層的孔和電流收縮區的導電部分具有允許發射的多模激光通過金屬層的孔的尺寸，除了關注的次數外，多模還包括在從關注次數的激光的最大輸出電平到低于最大輸出電平20dB的電平的范圍內產生大于其它次數的光輸出的不同于關注的次數的至多兩個次數。
這種結構可以實現具有增加的發射效率和頻率響應和以低閾值電流穩定地發射高功率激光的激光器件。這種器件可以無顯著衰減地與光纖耦合，適合于用作多模光纖的光源。
優選激光器是選擇性氧化型的，電流收縮區的高阻部分是通過從柱的側表面選擇性氧化柱體獲得的氧化區。導電部分由氧化區環繞。電流收縮區可以是AlAs層或AlGaAs層。除了上述材料，III-V族半導體材料可以用于電流收縮區。
多模可以包括在零次數，第一次數和第二次數模中振蕩的激光。多模也可以包括在具有最大光輸出的第一次數或第二次數模中振蕩的激光。優選地，電流收縮區的導電部分設置為等于12μm到15μm和金屬層的孔設置為等于11到12μm時，可以獲得優良的模控制激光。
包含在多模中的多個次數激光具有等于或小于0.5nm的光譜寬度。通過使激光的多個次數經RMS方法可以獲得光譜的寬度。0.5nm的光譜寬度實現了用于高效率多模型光纖的光源，由于脈沖傳播和高傳輸能力，高效率多模型光纖具有很少量的編碼錯誤。
金屬層的孔具有比在電流收縮區限定導電層尺寸小3μm的直徑的孔。這種設置在保持高頻響應的同時能夠發射多模振蕩激光并實現了低阻抗和高功率。
根據本發明的另一方面，表面發射半導體激光器包括襯底；設置在襯底上的第一導電類型的第一半導體反射層；設置在第一半導體反射層上并產生激光的有源區；設置在有源區上的第二導電類型的第二半導體反射層；設置在第二半導體反射層上并具有激光發射孔的金屬層；和置于第一和第二半導體反射層之間并具有由高阻部分環繞的導電部分的電流收縮區，導電部分具有等于或大于12μm的直徑，金屬層的孔具有比導電部分的孔至少小1μm的直徑，并允許多模激光。用上述結構，可以減小從金屬層的孔發射的激光的光束發散角和由此減小在作為光通信光源的激光器件與光纖耦合的情況下的激光衰減。
優選地，激光束具有23度或更小的光束發散角。當電流收縮區的導電部分的直徑是大約10μm時，即使金屬層的孔減小1μm，光束發散角也不會顯著擴大。
優選地，通過孔發射的激光可以在多模中振蕩，并包含在零，第一和第二次數模中振蕩的光。即使對多模激光器，也可以減小光束發散角，如此構造的激光器件可用于多模型光纖的光源。
本發明不局限于具體公開的實施例，不脫離本發明的范圍可以作出其它實施例，變型和修改。
權利要求
1.一種表面發射半導體激光器，包括襯底，其上形成有諧振器，諧振器包括下反射鏡，有源區，和上反射鏡；金屬層，設置在上反射鏡上并具有用于限定在有源區中產生的激光的輸出區的第一孔；和光限制區，設置在金屬層和下反射鏡之間并具有限定激光發光區的第二孔，第二孔具有等于或大于12μm的直徑，第一孔具有比第二孔直徑小1到5μm的直徑，由發光區發射的激光是多模激光，包括選自預定波長范圍內的多個次數。
2.如權利要求1所的表面發射半導體激光器，其中光限制區包括其折射率比形成上和下反射鏡的材料的折射率低的材料。
3.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中光限制區包括一個包含氧化的高阻部分的電流收縮區。
4.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中表面發射半導體激光器包括從上反射鏡延伸到光限制區的柱體結構；光限制區包括通過自柱體的側表面選擇性氧化柱體來限定的區；和由此形成的氧化區限定了第二孔的直徑。
5.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中下反射鏡包括第一導電類型的多層半導體層；上反射鏡包括第二導電類型的多層半導體層；和金屬層與上反射鏡電連接并用作通過其向上反射鏡供給電流的電極。
6.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，還包括置于上反射鏡和光限制區之間的第一電極層，第一電極層具有與光限制區的第二孔對準的第三孔。
7.如權利要求6所述的表面發射半導體激光器，其中上反射鏡包括層疊在第一電極層上的電介質鏡。
8.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，還包括設置在上反射鏡上的電介質材料保護層，其中保護層具有大于金屬層第一孔直徑的直徑，并且金屬層的端部位于保護層的外邊緣部分上。
9.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中上反射鏡包括具有較高雜質濃度的接觸層；和金屬層與接觸層電連接。
10.如權利要求8所述的表面發射半導體激光器，還包括設置在襯底上的第二電極，第二電極與第一導電類型的下反射鏡電連接。
11.如權利要求1所述的表面發射半導體激光器，其中金屬層包括一種包含Au，Ag，Pt，Ti，Ni，Mo和Cr中至少之一的金屬材料。
12.一種表面發射半導體激光器，包括襯底；設置在襯底上的第一導電類型的第一半導體反射層；設置在第一半導體反射層上用于產生激光的有源區；設置在有源區上的第二導電類型的第二半導體反射層；設置在第二半導體反射層上并具有激光輸出孔的金屬層；和置于第一和第二反射層之間并具有由高阻部分環繞的導電部分的電流收縮區，金屬層的孔小于電流收縮區的導電部分，金屬層的孔和電流收縮區的導電部分具有允許發射的多模激光通過金屬層的孔的尺寸，除了關注的次數外，多模還包括在從關注次數的激光的最大輸出電平到低于最大輸出電平20dB的電平的范圍內產生大于其它次數的光輸出的不同于關注次數的至多兩個次數。
13.如權利要求12所述的表面發射半導體激光器，其中多模包括在第零，第一和第二次數模中振蕩的激光。
14.如權利要求13所述的表面發射半導體激光器，其中多模包括在具有最大光輸出的第二次數模中振蕩的激光。
15.如權利要求12所述的表面發射半導體激光器，其中多模激光具有等于或小于0.5nm的光譜寬度。
16.如權利要求15所述的表面發射半導體激光器，其中金屬層的孔具有比在電流收縮區中限定導電層尺寸的孔小3μm的直徑。
17.一種表面發射半導體激光器，包括襯底；設置在襯底上的第一導電類型的第一半導體反射層；設置在第一半導體反射層上并產生激光的有源區；設置在有源區上的第二導電類型的第二半導體反射層；設置在第二半導體反射層上并具有激光發射孔的金屬層；和置于第一和第二反射層之間并具有由高阻部分環繞的導電部分的電流收縮區，導電部分具有等于或大于12μm的直徑，金屬層的孔具有比導電部分的孔至少小1μm的直徑，并允許多模激光。
18.如權利要求17所述的表面發射半導體激光器，其中通過孔發射的激光在多模中振蕩，并包含在第零，第一和第二次數模中振蕩的光。
全文摘要
一種表面發射半導體激光器包括襯底，其上形成有諧振器，諧振器包括下反射鏡，有源區，和上反射鏡；金屬層，設置在上反射鏡上并具有用于限定在有源區產生的激光的輸出區的第一孔；和光限制區，設置在金屬層和下反射鏡之間并具有限定激光發光區的第二孔，第二孔具有等于或大于12μm的直徑，第一孔具有比第二孔直徑小1到5μm的直徑。由發光區發射的激光具有多模，包括選自預定波長范圍內的多個次數。
文檔編號H01S5/183GK1472853SQ0311973
公開日2004年2月4日 申請日期2003年3月10日 優先權日2002年7月29日
發明者植木伸明 申請人:富士施樂株式會社