垂直腔面發射激光二極管及其制造方法和相關裝置的制作方法

專利名稱：垂直腔面發射激光二極管及其制造方法和相關裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種垂直腔面發射激光二極管(以下稱為VCSEL)、光 學裝置、光照射裝置、數據處理裝置、光發送裝置、光空間傳輸裝置、 光傳輸系統和用于制造VCSEL的方法。
背景技術：
在諸如光通信或光存儲的技術領域中，對VCSEL的興趣日益增加。 VCSEL具有邊緣發光半導體激光器所不具有的良好特性。例如，VCSEL 的特征在于低閾值電流和低功耗。對于VCSEL，可以容易地獲得圓光斑。 而且，可以在VCSEL位于晶片上的同時進行評價，并且光源可以以二維 陣列布置。通過這些特性，尤其是對通信和數據存儲領域中的光源的需 求已預期地增長。在JP2000-022204A中公開的半導體發光元件中，通過由AlGaAs制 成的鈍化層而使蝕刻停止，并且當有選擇地使AlAs層氧化時，在AlAs 層正下方的鈍化層同時被氧化以形成保護層，從而緩解了在被有選擇地 氧化的部分處的應力，增加了有效折射率的差異，并降低了閾值。 JP2000-012974A公開了一種選擇氧化型面發射激光器，其中提供了這樣 的技術，即通過使具有氧化速度高的成分的第一層和具有氧化速度低 于第一層的成分的第二層疊置而形成超點陣層、然后使該層氧化而提供 氧化區。在JP2000-183461A公開的半導體疊置結構中，電流限制層中的 V族元素組由多個元素構成，并且所述多個元素組成比沿著層疊置的方 向逐漸改變。當在光通信或光存儲中使用VCSEL作為光源時，需要使從VCSEL 發射的激光的發散角或遠場圖形(FFP)小于一定值。如果發散角變大，則光斑直徑就變大，從而光通信中的錯誤發生率會增加，或者從存儲介 質讀數據或向存儲介質寫數據的分辨率會降低。在發射850腿激光的GaAs型VCSEL中，使用Al成分高的AlAs 或AlGaAs用于電流限制層。電流限制層形成在臺式晶體管(mesa)中， 并且在氧化處理中從臺式晶體管的側表面被氧化至一定距離，以在內部 形成被氧化區包圍的導電區(氧化孔)。VCSEL的發散角取決于形成在電流限制層中的氧化孔的直徑。更具 體地說，如果氧化孔的直徑變小，則發散角趨于變大，而如果氧化孔的 直徑變大，則發散角趨于變小。另外，氧化孔是決定激光發射模式的關 鍵因素。為了獲得單模激光，應使氧化孔較小。通過對疊置在基板上的半導體層進行蝕刻而處理呈柱形或方形的臺 式晶體管。直徑的尺寸會根據在該處理中的精度而改變。另外，如果從 具有這樣結構的臺式晶體管的側表面氧化電流限制層，則還會由于氧化 而發生改變。具體地說，如果氧化孔的直徑如單模中那樣小，則難以再 現氧化孔的直徑，從而難以控制發散角。本發明的目的是提供一種可以使發散角比現有技術中小的VCSEL， 以及使用該VCSEL的模塊、光源裝置、數據處理裝置、光發送裝置、光 空間傳輸裝置和光空間傳輸系統，和用于制造VCSEL的方法。發明內容根據本發明的一方面，提供了一種VCSEL，該VCSEL包括在基 板上的第一導電型的第一半導體鏡面層、在該第一半導體鏡面層上的有 源區、在該有源區上的第二導電型的第二半導體鏡面層和接近所述有源 區的電流限制層。臺式晶體管結構形成為使得所述電流限制層的至少一 側表面露出。所述電流限制層包括具有鋁成分的第一半導體層和具有鋁 成分的第二半導體層，該第二半導體層形成為比所述第一半導體層更靠 近所述有源區。所述第一半導體層的鋁濃度高于所述第二半導體層的鋁 濃度。當激光的振蕩波長為入時，作為所述第一半導體層和所述第二半 導體層的厚度總和的光學厚度為入/4。從所述臺式晶體管結構的所述側表面有選擇地使所述第一半導體層和所述第二半導體層氧化。所述電流限制層中的所述第二半導體層形成為鄰近所述有源區，并 且所述第一半導體層形成為鄰近所述第二半導體層。所述電流限制層形成在所述第二半導體鏡面層中，所述第一半導體 層是所述第二導電型的AlxGai_xAs層，并且所述第二半導體層是所述第 二導電型的AlyGa"As層，其中x〉y。所述電流限制層形成在所述第一半導體鏡面層中，所述第一半導體 層是所述第一導電型的AlxGai_xAs層，并且所述第二半導體層是所述第 一導電型的AlyGai.yAs層，其中x>y 。所述第一半導體層的x等于1，并且所述第二半導體層的y約為 0.85<y<0"0。通過交替地疊置鋁成分高的第一 AlGaAs層和鋁成分低的第二 AlGaAs層而形成所述第二半導體鏡面層，并且所述電流限制層中的所述 第二半導體層的鋁濃度低于所述第一 AlGaAs層的鋁濃度。通過交替地疊置鋁成分高的第一 AlGaAs層和鋁成分低的第二 AlGaAs層而形成所述第一半導體鏡面層，并且所述電流限制層中的所述 第二半導體層的鋁濃度低于所述第一 AlGaAs層的鋁濃度。由形成在所述電流限制層中的所述第一半導體層中的氧化區包圍的 導電區的直徑至少等于或小于5.0微米。所述第二半導體鏡面層包括位于最上層的接觸層，并且在該接觸層 上形成有電極層，在該電極層上形成有用于發射激光的開口。根據本發明的另一方面，提供了一種用于制造垂直腔面發射激光二 極管(VCSEL)的方法，該方法包括形成位于基板上的第一導電型的 第一半導體鏡面層、在該第一半導體鏡面層上的有源區、在該有源區上的第二導電型的第二半導體鏡面層和接近所述有源區的電流限制層，使 得所述電流限制層包括包含鋁成分的第一半導體層和包含鋁成分的第二 半導體層，該第二半導體層形成為比所述第一半導體層更靠近所述有源 區，并且所述第一半導體層的鋁濃度高于所述第二半導體層的鋁濃度， 當激光的振蕩波長為A時，作為所述第一半導體層和所述第二半導體層的厚度總和的光學厚度為人/4;形成臺式晶體管結構，使得所述電流限制層的至少一側表面露出；以及從所述臺式晶體管結構的所述側表面同時并有選擇地使所述電流限制層中的所述第一半導體層和所述第二半導體 層氧化。所述電流限制層中的所述第二半導體層形成為鄰近所述有源區，并 且所述第一半導體層形成為鄰近所述第二半導體層。所述電流限制層形成在所述第二半導體鏡面層中，所述第一半導體層是所述第二導電型的AlxGai.xAs層，并且所述第二半導體層是所述第 二導電型的AlyGa,.yAs層，其中x^。所述電流限制層形成在所述第一半導體鏡面層中，所述第一半導體 層是所述第一導電型的AlxGat—xAs層，并且所述第二半導體層是所述第 一導電型的AlyGai—yAs層，其中x〉y。所述第一半導體層的x等于1，并且所述第二半導體層的y約為 0.85<y<0.90。該制造方法還包括在所述第二半導體鏡面層上形成電極層，在該 電極層上形成有用于發射激光的開口。根據本發明的又一方面，提供了一種光學裝置，該光學裝置包括 所述垂直腔面發射激光二極管；電連接至所述垂直腔面發射激光二極管 的電連接端子；以及用于注入從所述垂直腔面發射激光二極管發射的光 的光學元件。根據本發明的又一方面，提供了一種光照射裝置，該光照射裝置包 括所述垂直腔面發射激光二極管；包括至少一個透鏡或鏡的光學元件； 以及用于通過所述光學元件照射從所述垂直腔面發射激光二極管發射的 光的照射單元。根據本發明的又一方面，提供了一種數據處理裝置，該數據處理裝 置包括所述光學裝置；和用于發送從所述垂直腔面發射激光二極管發 射的光的發送單元。根據本發明的又一方面，提供了一種光發送裝置，該光發送裝置包 括所述光學裝置；和用于發送從所述垂直腔面發射激光二極管發射的光的發送單元。根據本發明的又一方面，提供了一種光空間傳輸裝置，該光空間傳 輸裝置包括所述光學裝置；和用于空間傳輸從所述垂直腔面發射激光 二極管發射的光的傳輸單元。根據本發明的又一方面，提供了一種光傳輸系統，該光傳輸系統包 括所述光學裝置；和用于傳輸從所述垂直腔面發射激光二極管發射的 光的傳輸單元。根據本發明，可以使激光的發散角比沒有本發明實施例的結構的情 況小。另外，所述第二半導體層與所述有源區直接接觸，因而可通過所述 第二半導體層中的氧化區的端部更有效地減少從所述有源區產生的光的 限制量。另外，僅通過改變構成所述第二半導體鏡面層的AlGaAs層的鋁濃 度可容易地形成所述電流限制層中的所述第二半導體層，從而可以控制 發散角。另外，僅通過改變構成所述第一半導體鏡面層的AlGaAs層的鋁濃 度可容易地形成所述電流限制層中的所述第二半導體層，從而可以控制 發散角。另外，可以通過所述第二半導體層的鋁濃度控制單模激光的發散角。另外，在發射激光的半導體鏡面層中設置有電流限制層，從而可以 有效地使發散角更小。另外，所述第二半導體層中的氧化區的端部傾斜，從而可以減少光限制量，并可以減少激光的發散角。另外，具有減少發散角的激光可用于光通信和信息記錄的光源。


下面將基于附圖詳細地描述本發明的示例性實施方式，在附圖中圖1是根據本發明實施例的VCSEL的平面圖；圖2是沿圖1的線A-A剖取的剖面圖；圖3是表示圖2所示的臺式晶體管的細節的放大圖；圖4A是示意性地示出了形成在AlAs層和Alo.88Ga(H2As層中的氧化 區的端面的剖面圖；圖4B是示意性地示出了氧化區在一平面上的尺寸的平面圖；圖5是表示發散角與在電流限制層中的位于AlAs層正下方的 AlGaAs層的Al濃度之間關系的曲線圖；圖6A至圖6C是示出了用于制造根據本發明第一實施例的VCSEL 的方法的步驟的剖視圖；圖7A至圖7C是示出了用于制造根據本發明第一實施例的VCSEL 的方法的步驟的剖視圖；圖8A和圖8B是示出了用于制造根據本發明第一實施例的VCSEL的方法的步驟的剖視圖；圖9是其中實施有根據本發明實施例的VCSEL的光學裝置的結構的示意性剖視圖；圖IO是表示另一光學裝置的結構的示意性剖視圖；圖11示出了使用VCSEL的光照射裝置的結構的實施例；圖12是示出了使用圖9所示的光學裝置的光發送裝置的結構的示意性剖視圖；圖13示出了其中在空間傳輸系統中使用圖IO所示的光學裝置的結 構的實施例；圖14是示出了光傳輸系統的結構的框圖；圖15示出了光傳輸裝置的外部結構；以及圖16示出了使用圖15的光傳輸裝置的視頻傳輸系統。
具體實施方式
下面將參照附圖描述用于實施本發明的示例性實施方式。 圖1是根據本發明實施例的VCSEL的平面圖，圖2是沿圖1的線 A-A剖取的剖面圖。如圖1和圖2所示，VCSEL 100包括在n型GaAs基板102的背面上的n側電極150。在基板102上疊置有半導體層，所述 半導體層包括n型GaAs緩沖層104、由n型AlGaAs半導體多層構成的 下DBR (分布布喇格反射器)106、有源區108、由兩層(p型AlAs層 和p型AlGaAs層)構成的電流限制層110、由p型AlGaAs半導體多層 構成的上DBR112、以及p型GaAs接觸層114。在基板102上通過蝕刻半導體層而形成環形槽116，使得槽116具有 從接觸層114到下DBR 106的一部分的深度或者位于電流限制層的正下 方。通過槽116，形成作為激光發射部的柱形臺式晶體管P或柱，并且與 臺式晶體管P隔離地形成焊盤形成區118。臺式晶體管P形成了由下DBR 106和上DBR112構成的諧振器結構，并且有源區108和電流限制層110 介于它們之間。如上所述，電流限制層110包括p型AlAs層110a和位于該層110a 下方的p型AlGaAs層110b。 AlAs層110a和p型AlGaAs層110b在形 成臺式晶體管P時在臺式晶體管P的側表面處露出，并且在隨后的氧化 處理中從臺式晶體管P的側表面被同時氧化。通過氧化，在AlAs層110a 和p型AlGaAs層110b中形成氧化區111a和lllb，并且形成被氧化區 llla和lllb包圍的導電區。在該導電區中，電流和光受到限制。在包括槽116的基板的整個表面上形成有層間絕緣膜120。層間絕緣 膜120覆蓋臺式晶體管P的表面、臺式晶體管P的通過槽116露出的側 表面、槽116、焊盤形成區118的通過槽116露出的側表面以及焊盤形成 區118的表面。在臺式晶體管P的頂部處，在層間絕緣膜120中形成有 環形接觸孔。通過該接觸孔，p側圓形上電極130電連接至接觸層114。 p側上電極130由金或鈦/金制成，并且在其中央部處形成有限定激光發 射區的圓形開口 132。在圖2的實施例中，開口 132被層間絕緣膜120遮 擋并被保護，使得GaAs接觸層114不會暴露于外部。開口 132不是必須 被層間絕緣膜120遮擋，而可以露出。在焊盤形成區118中，在層間絕緣膜120上形成圓形電極焊盤134。 電極焊盤134通過在槽116中延伸的引出電極布線136而連接至p側上 電極130。圖3是圖2的臺式晶體管的一部分的放大剖面圖。有源區108由無摻雜的下AlQ.6GaQ.4As間隔層108a、無摻雜的量子勢阱有源層108b (其 由三個厚度均為70nm的GaAs量子勢阱層和四個厚度均為50nm的 Al0.3Gaa7As阻擋層構成)、以及無摻雜的上Alo.6Gao.4As間隔層108c形成。通過交替疊置Al成分高的Al^Ga^As層112a和Al成分低的 Alai5Gao.85AS層112b達30個周期以使得各層的厚度變為介質中波長入的 1/4，而制成上DBR 112。在作為上DBR 112的最終層或頂層的 Al0.15Gao.85As層112b上，形成有GaAs接觸層114，使得作為頂層 Alai5GaQ.85As層112b和GaAs接觸層114的總和的光學厚度變為入/4。這 是因為Al含量百分比較低的層不易于被氧化，因而更易于提供電接觸。 在本發明的實施例中，激光的振蕩波長A為大約850nm。電流限制層IIO形成為鄰近間隔層108c。換言之，Al,GaQ.12As層 110b形成在間隔層108c的正上方，并且在其上形成具有高Al濃度的 AlAs層110a。作為Al0.88Ga0.12As層110b和AlAs層110a的厚度總和的 光學厚度為激光的波長入的1/4。電流限制層IIO是上DBR 112的半導體層之一。圖4A是示意性地示出了形成在AlAs層11 Oa和Alo.88Gaa 12As層11 Ob 中的氧化區的端面的剖面圖。圖4B是示意性地示出了氧化區在一平面上 的尺寸的平面圖。在大約340攝氏度的蒸汽環境中從臺式晶體管P的側表面對電流限 制層110氧化達一定時間，如稍后將描述。AlAs層110a具有比 Al,Gaai2As層110b高的Al濃度，并且具有較高的橫向氧化速度。因此， AlAs層110a的氧化區111a的端面El接近成直角。另一方面，在 Ala88Gao.12As層110b的氧化中，氧從AlAs層110a垂直進入，因而氧化 在靠近AlAs層110a的部分處進行。結果，AlGaAs層110b中的氧化區 111b的端面E2傾斜。端面E2的傾斜角9取決于AlGaAs層110b的Al濃度。Al濃度越高，則沿橫向的氧化就越快，因而傾斜角e變得越大，這導致較陡的傾斜。如圖4B所示，由AlAs層110a和Al0.88Ga0.,2As層110b中的氧化區 llla和lllb形成的導電區的輪廓在平面圖中為反映了臺式晶體管P的輪 廓的圓形。被氧化區llla包圍的導電區Pl的直徑控制激光的單模和閾 值電流。優選的是，對氧化距離進行控制以使得該直徑為大約3um。另一方面，被Al0.88Ga0.12As層110b中的氧化區lllb包圍的導電區 P2的最下表面上的直徑D2由D2=Dl+2T/tan 6 (其中，T是Ala88Gao.12As 層110b的厚度)計算得到，并且例如為大約8um。如上所述，傾斜角 0取決于AlGaAs層110b的Al濃度，隨著AI濃度變高，傾斜角e相應 地變大。因此，導電區P2的直徑D2可以通過AlGaAs層110b的Al濃 度和厚度T來確定。在該實施例中，形成在上電極130中的開口 132的 直徑D3大于導電區P1的直徑D1，并且開口 132不控制激光的發散角。圖5是表示激光的發散角與在電流限制層中的形成在AlAs層正下方 的AlGaAs層110b的Al濃度之間關系的曲線圖。如從該曲線圖可以看出， 如果使AlGaAs層的Al濃度小至在約0.90到0.85的范圍內，則激光的發 散角變為小至約17度到約14度。這樣，根據本發明的實施例，在電流限制層110中形成Al濃度比 AlAs層110a低的AlGaAs層110b，因而在氧化區111b的端面E2上形成 傾斜。通過該結構，可以減少光限制量，并且可以減少發散角或FFP， 從而可以獲得尖銳的FFP。另外，并不通過形成在電流限制層110中的Al濃度高的AlAs層110a 中的導電區P1的直徑D1對發散角進行控制，而是可以通過設置在其正 下方的AlGaAs層110b的Al濃度對發散角進行控制。因此，與現有技術 相比，可以更容易地控制發散角。而且，可以通過相應的AlAs層和AlGaAs層對單模進行控制并對發 散角進行控制。因此，可以使處于矛盾關系的單模和發散角最佳。另外，因為僅通過改變構成上DBR的AlGaAs層的Al濃度而設置 AlGaAs層110b的Al濃度，所以可以相對容易地設置AlGaAs層110b的 Al濃度。此外，通過靠近有源區108形成電流限制層110，可以更有效 地減少在有源區108處產生的光限制量。在上述實施例中，電流限制層110由AlAs層110a和Ala88Gao.12As 層110b構成，但這僅是實施例。電流限制層110可以由滿足x〉y關系的 Al濃度高的AlxGai.xAs層和Al濃度低的AlyGai.yAs層構成。優選的是， 當乂=1時，0.85<y<0.90。在上述實施例中，電流限制層IIO形成在上DBR中，但是電流限制 層IIO可以形成在下DBR中。在這種情況下，期望的是電流限制層IIO 接近有源層108。另外，電流限制層110具有n型，并且臺式晶體管P延 伸至下DBR，以使電流限制層110的側表面露出。在上述實施例中，在基板上形成單個臺式晶體管P;但是，也可以 在基板上形成多個臺式晶體管，以用作從所述多個臺式晶體管同時發射 激光的多光束或多光斑。而且，在上述實施例中，振蕩波長為850nm; 但是，該波長不是必須這樣指定的，而可以是諸如780nm的其它波長。 另夕卜，在上述實施例中，示出了使用AlGaAs型化合物半導體的VCSEL; 但是，本發明也可應用于其中使用其它III-V族化合物半導體的VCSEL。 另外，除了柱形之外，臺式晶體管的形狀可以是方形。下面參照圖6A至圖8B來描述實施例的用于制造VCSEL的方法。 如圖6A所示，通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)，在n型GaAs 基板102上沉積載流子濃度為1X1018 cn^且厚度為約0.2um的n型 GaAs緩沖層104。在該緩沖層104上交替地疊置Ala9GaaiAs和 Alai5Gaa85As (均具有介質中波長入的1/4的厚度)達40.5個周期，以形 成載流子濃度為1 X 1018 cnf3且總厚度為約4 u m的下n型DBR 106。在 下DBR 106上疊置有源區108，該有源區108由無摻雜的下Ala6Gaa4As 間隔層、無慘雜的量子勢阱有源層(其由三個厚度均為70nm的GaAs量 子勢阱層和四個厚度均為50nm的AlQ.3Gaa7AS阻擋層構成)、以及無摻 雜的上Al。.6Ga。.4As間隔層構成。在有源區108上疊置載流子濃度為1 X 1018 cm-3且總厚度為約2 u m的上p型DBR 112，通過疊置Ala9GaaiAs 和Alai5Ga().85AS達30個周期而得到該總厚度，使得各層的厚度變為介質 中波長入的1/4。在上DBR 112的最下部處插設有AlAs層110a和AlGaAs層llOb用于選擇性氧化，并且也使得這對AlAs層110a和AlGaAs層110b變為介 質中波長入的1/4。 AlGaAs層110b的Al成分為88% 。在上DBR 112的最 上層中，形成載流子濃度為1 X 1019 cm—3且厚度為約20nrn的p型GaAs接 觸層114。盡管未詳細地描述，為了減少DBR層的電阻，可以在Alo.9GaojAs 和Alai5Gao.85As之間的界面上設置厚度為約20nrn的區域，在該區域中， Al成分從90%逐漸變為15%。通過使用三甲基鎵、三甲基鋁或砷化三氫(相 繼地進行改變)作為源氣體，使用二環戊基鎂(cyclopentadinium magnesium) 作為p型摻雜材料，使用硅垸作為n型摻雜物，使基板溫度保持在750攝 氏度而不破壞真空，連續地進行沉積以形成這些層。接著，如圖6B所示，通過使用光刻處理，在外延生長層上形成抗蝕 劑掩模R。然后，通過使用三氯化硼作為蝕刻氣體進行反應離子蝕刻， 以形成到達下DBR 106的中部的環形槽116，如圖6C所示。通過該處理， 形成直徑為約10至30 u m的柱形半導體臺式晶體管P或方棱柱形半導體 臺式晶體管P、以及包圍臺式晶體管P的焊盤形成區118。通過形成臺式 晶體管P，使電流限制層110中的AlAs層110a和位于AlAs層110a的正 下方的Ala88Gao.12As層110b在臺式晶體管的側表面處露出。然后，在移除抗蝕劑R之后，如圖7A所示，使基板例如暴露于340 攝氏度的蒸汽環境達一定量的時間，以進行氧化處理。從臺式晶體管P 的側表面使構成電流限制層110的AlAs層110a和Ala88Ga。.12As層110b 氧化，以反映柱的形狀，從而未被氧化的未氧化區(導電區)變成電流 注入區或導電區。在該處理期間，Alo.88Ga(H2As層110b中的氧化區lllb 的端面傾斜。接著，如圖7B所示，通過使用等離子體CVD設備，在包括槽116 的基板的整個表面上沉積由SiN制成的層間絕緣膜120。之后，如圖7C 所示，通過使用一般的光刻處理對層間絕緣膜120進行蝕刻，以在臺式 晶體管P的頂部處在層間絕緣膜120中形成圓形接觸孔120a，以使接觸 層114露出。或者，接觸孔120a可以制成環形形狀，從而變為發射區的 接觸層114可以被SiN保護，如圖2所示。之后，如圖8A所示，通過使用光刻處理在臺式晶體管P的上部的中央部形成蝕刻劑圖案R1。從蝕刻劑R1的上方，通過使用EB沉積設備，沉積100至1000nm (優選為600nm)的Au作為p側電極材茅斗。當剝離 抗蝕劑圖案R1時，如圖8B所示移除抗蝕劑圖案Rl上的Au，并形成上 電極130、電極焊盤134和引出布線136。從沒有p側電極的部分，艮口， 從位于柱的中央部的開口 132發射激光。盡管這里未詳細地描述，可以 在形成柱之前形成在臺式晶體管P上形成的金屬開口部。在基板的背面上沉積Au/Ge作為n電極。之后，以250至500攝氏 度(優選為300至400攝氏度)的退火溫度，進行退火達10分鐘。退火 持續時間不必限制為IO分鐘，而可以在0至30分鐘的范圍內。而且， 沉積方法不是必須限制為EB沉積，也可以使用電阻加熱方法、濺射方法、 磁控管濺射方法或CVD方法。另外，退火方法不是必須限制為使用普通 電爐的熱退火，通過使用紅外輻射的快速加熱退火或激光退火、通過高 頻加熱的退火、通過電子束的退火或者通過燈加熱的退火都可以實現類 似的效果。下面將參照附圖描述光學裝置(模塊)、光發送裝置、光傳輸系統、 光傳輸裝置等。圖9是表示其中安裝有VCSEL的光學裝置的結構的示意 性剖視圖。在光學裝置300中，通過導電粘合劑320在盤狀金屬管座330 上固定其中形成有VCSEL的芯片310。將導電引線340和342插入形成 在管座330中的通孔(未示出)內。 一個引線340電連接至VCSEL的n 側電極，另一引線342電連接至VCSEL的p側電極。在包括芯片310的管座330上方固定有方形中空的帽350，并且球 透鏡360固定在帽350的中央部中的開口內。球透鏡360的光軸定位成 與芯片310的大致中央一致。當在引線340和342之間施加正向電壓時， 從芯片310垂直地發射激光。芯片310與球透鏡360之間的距離被調整 為使得球透鏡360包含在來自芯片310的激光的發散角e內。另外，光學裝置300可以包括用于監視VCSEL的發射狀態的光感測元fl^或熱傳感 器°圖IO示出了另一光學裝置的結構。在圖10所示的光學裝置302中， 取代使用球透鏡360，在帽350的中央部中的開口內固定平板玻璃362。平板玻璃362的中央定位成與芯片310的大致中央一致。芯片310與平 板玻璃362之間的距離被調節成使得平板玻璃362的開口直徑等于或大 于來自芯片310的激光的發散角9 。圖11示出了其中使用VCSEL作為光源的實施例。光照射裝置370 包括如圖9或圖10所示的安裝有VCSEL的光學裝置300 (302);接 收來自光學裝置300 (302)的多光束激光的準直透鏡372;多角鏡374， 其以一定的速度旋轉并且以一定的發散角反射來自準直透鏡372的光線； f e透鏡376，其接收來自多角鏡374的激光并將該激光投射在反^t鏡378 上；線形的所述反射鏡378;以及感光鼓380，其基于來自反射鏡378的 反射光而形成潛像。這樣，VCSEL陣列可用于光學數據處理裝置的光源， 該光學數據處理裝置例如為配備有將來自VCSEL的激光收集在感光鼓 上的光學系統和掃描感光鼓上的所收集激光的機構的復印機或 丁印機。圖12是示出了其中圖9所示的光學裝置應用于光發送裝置的結構的 剖視圖。光發送裝置400包括固定于管座330的筒形殼體410、在殼體 410的邊緣表面上與該殼體410形成一體的套筒420、保持在套筒420的 開口 422中的套圈430、以及由套圈430保持的光纖440。在沿著管座330 的周向形成的凸緣332中，固定有殼體410的邊緣部分。套圈430恰好 定位在套筒420的開口 422中，并且光纖440的光軸與球透韋竟360的光 軸對準。在套圈430的通孔432中，保持有光纖440的芯。從芯片310的表面發射的激光被球透鏡360集中。集中的光注入光 纖440的芯中并傳輸。盡管在上述實施例中使用球透鏡360， ^叵也可以使 用諸如雙凸透鏡或平凸透鏡的其它透鏡。另外，光發送裝置400可以包 括用于向引線340和342施加電信號的驅動電路。另外，光發送裝置400 可以具有通過光纖440接收光信號的接收功能。圖13示出了其中在空間傳輸系統中使用圖10所示的模塊的結構。 空間傳輸系統500包括光學裝置302、聚光透鏡510、散射板520以及反 射鏡530。被聚光透鏡510集中的光通過反射鏡530的開口 532而被散射 板520反射。反射的光被反射向反射鏡530。反射鏡530朝向予頁定方向反 射經反射的光以進行光傳輸。圖14示出了其中VCSEL用作光源的光傳輸系統的結構的實施例。 光傳輸系統600包括光源610，其包含形成有VCSEL的芯片310;光 學系統620，其例如用于集中從光源610發射的激光；光接收器630，其 用于接收從光學系統620輸出的激光；以及控制器640，其用于控制光源 610的驅動。控制器640向光源610提供用于驅動VCSEL的驅動脈沖信 號。從光源610發射的光借助用于空間傳輸的光纖或反射鏡通過光學系 統620而傳輸到光接收器630。光接收器630例如通過光檢測器檢測所接 收的光。光接收器630能夠通過控制信號650控制控制器640的操作(例 如，光傳輸的開始時刻)。接著在圖15中示出了用于光傳輸系統的光傳輸裝置的結構的實施 例。光傳輸裝置700包括外殼710、光信號傳輸/接收連接器720、光發射 /光接收元件730、電信號電纜連接器740、電源輸入750、用于指示正常 操作的LED 760、用于指示異常的LED 770以及DVI連接器780，并且 該光傳輸裝置具有安裝在內部的傳輸電路板/接收電路板。圖16中示出了其中使用光傳輸裝置700的視頻傳輸系統的實施例。 視頻傳輸系統800使用圖15所示的光傳輸裝置，而將在視頻信號發生器 810處產生的視頻信號傳輸給諸如液晶顯示器的圖像顯示器820。更具體 地說，視頻傳輸系統800包括所述視頻信號發生器810、所述圖像顯示器 820、用于DVI的電纜830、傳輸模塊840、接收模塊850、用于視頻信 號傳輸光信號的連接器860、光纖870、用于控制信號的電纜連接器880、 電源適配器890以及用于DVI的電纜900。在上述視頻傳輸系統中，分別通過電纜830和900由電信號來進行 視頻信號發生器810與傳輸模塊840之間以及接收模塊850與圖像顯示 器820之間的傳輸。但是，也可以由光信號來進行這些傳輸。例如，取 代使用電纜830和900，可以使用其中在連接器中包含有電/光轉換電路 和光/電轉換電路的信號傳輸線纜。根據本發明一方面的VCSEL可以用于諸如光學數據處理或光學高 速數據通信的領域中。描述。但不旨在窮盡或將本發明限于所公開的確切形式。顯然的是，許 多修改和變動對于本領域技術人員是顯而易見的。為了最好地說明本發 明的原理及其實際應用而選擇并描述了示例性實施方式，從而使得本領 域技術人員能夠理解本發明可用于各種示例性實施方式和適于所考慮的 具體應用的各種修改。本發明的范圍意在由所附權利要求及其等價物來 限定。
權利要求
1、一種垂直腔面發射激光二極管，該垂直腔面發射激光二極管包括在基板上的第一導電型的第一半導體鏡面層、在該第一半導體鏡面層上的有源區、在該有源區上的第二導電型的第二半導體鏡面層和接近所述有源區的電流限制層；以及臺式晶體管結構，該臺式晶體管結構形成為使得所述電流限制層的至少一側表面露出；并且所述電流限制層包括包含鋁成分的第一半導體層和包含鋁成分的第二半導體層，該第二半導體層形成為比所述第一半導體層更靠近所述有源區，并且所述第一半導體層的鋁濃度高于所述第二半導體層的鋁濃度，當激光的振蕩波長為λ時，作為所述第一半導體層和所述第二半導體層的厚度總和的光學厚度為λ/4，并且從所述臺式晶體管結構的所述側表面有選擇地使所述第一半導體層和所述第二半導體層氧化。
2、 根據權利要求l所述的垂直腔面發射激光二極管，其中，所述電 流限制層中的所述第二半導體層形成為鄰近所述有源區，并且所述第一 半導體層形成為鄰近所述第二半導體層。
3、 根據權利要求1或2所述的垂直腔面發射激光二極管，其中，所述電流限制層形成在所述第二半導體鏡面層中，所述第一半導體層是所 述第二導電型的AlxGai_xAs層，并且所述第二半導體層是所述第二導電 型的AlyGa^As層，其中x〉y。
4、 根據權利要求1或2所述的垂直腔面發射激光二極管，其中，所 述電流限制層形成在所述第一半導體鏡面層中，所述第一半導體層是所 述第一導電型的AlxGai.xAs層，并且所述第二半導體層是所述第一導電 型的AlyGaLyAs層，其中x〉y。
5、 根據權利要求3或4所述的垂直腔面發射激光二極管，其中，所 述第一半導體層的x等于1，并且所述第二半導體層的y約為0.85<y<0.90。
6、 根據權利要求3所述的垂直腔面發射激光二極管，其中，通過交 替地疊置鋁成分高的第一 AlGaAs層和鋁成分低的第二 AlGaAs層而形成所述第二半導體鏡面層，并且所述電流限制層中的所述第二半導體層的鋁濃度低于所述第一 AlGaAs層的鋁濃度。
7、 根據權利要求4所述的垂直腔面發射激光二極管，其中，通過交 替地疊置鋁成分高的第一 AlGaAs層和鋁成分低的第二 AlGaAs層而形成 所述第一半導體鏡面層，并且所述電流限制層中的所述第二半導體層的 鋁濃度低于所述第一 AlGaAs層的鋁濃度。
8、 根據權利要求l所述的垂直腔面發射激光二極管，其中，由形成 在所述電流限制層中的所述第一半導體層中的氧化區包圍的導電區的直 徑至少等于或小于5.0微米。
9、 根據權利要求l所述的垂直腔面發射激光二極管，其中，所述第 二半導體鏡面層包括位于最上層的接觸層，并且在該接觸層上形成有電 極層，在該電極層上形成有用于發射激光的開口。
10、 一種用于制造垂直腔面發射激光二極管的方法，該方法包括 形成位于基板上的第一導電型的第一半導體鏡面層、在該第一半導體鏡面層上的有源區、在該有源區上的第二導電型的第二半導體鏡面層和接近所述有源區的電流限制層，使得所述電流限制層包括包含鋁成分的第一半導體層和包含鋁成分的第二半導體層，該第二半導體層形成為比所述第一半導體層更靠近所述有源區，并且所述第一半導體層的鋁濃度高于所述第二半導體層的鋁濃度，當激光的振蕩波長為入時，作為所 述第一半導體層和所述第二半導體層的厚度總和的光學厚度為入/4;形成臺式晶體管結構，使得所述電流限制層的至少一側表面露出；并且從所述臺式晶體管結構的所述側表面同時并有選擇地使所述電流限 制層中的所述第一半導體層和所述第二半導體層氧化。
11、 根據權利要求10所述的制造方法，其中，所述電流限制層中的 所述第二半導體層形成為鄰近所述有源區，并且所述第一半導體層形成 為鄰近所述第二半導體層。
12、 根據權利要求10或11所述的制造方法，其中，所述電流限制 層形成在所述第二半導體鏡面層中，所述第一半導體層是所述第二導電型的AlxGai_xAs層，并且所述第二半導體層是所述第二導電型的 AlyGaLyAs層，其中x>y。
13、 根據權利要求10或11所述的制造方法，其中，所述電流限制層形成在所述第一半導體鏡面層中，所述第一半導體層是所述第一導電 型的AlxGa,—xAs層，并且所述第二半導體層是所述第一導電型的 AlyGa^As層，其中x>y。
14、 根據權利要求12或13所述的制造方法，其中，戶萬述第一半導 體層的x等于1，并且所述第二半導體層的y約為0.85<y<0.90。
15、 根據權利要求10所述的制造方法，其中，該制造方法還包括 在所述第二半導體鏡面層上形成電極層，在該電極層上形成有用于發射 激光的開口。
16、 一種光學裝置，該光學裝置包括如權利要求1至9中任一項所述的垂直腔面發射激光二極管； 電連接至所述垂直腔面發射激光二極管的電連接端子；以及 用于注入從所述垂直腔面發射激光二極管發射的光的光學元件。
17、 一種光照射裝置，該光照射裝置包括如權利要求1至9中任一項所述的垂直腔面發射激光二極管； 包括至少一個透鏡或鏡的光學元件；以及用于通過所述光學元件照射從所述垂直腔面發射激光二極管發射的 光的照射單元。
18、 一種數據處理裝置，該數據處理裝置包括-如權利要求16所述的光學裝置；和用于發送從所述垂直腔面發射激光二極管發射的光的發送單元。
19、 一種光發送裝置，該光發送裝置包括 如權利要求16所述的光學裝置；和用于發送從所述垂直腔面發射激光二極管發射的光的發送單元。
20、 一種光空間傳輸裝置，該光空間傳輸裝置包括 如權利要求16所述的光學裝置；和用于空間傳輸從所述垂直腔面發射激光二極管發射的光的傳輸單
21、 一種光傳輸系統，該光傳輸系統包括 如權利要求16所述的光學裝置；和用于空間傳輸從所述垂直腔面發射激光二極管發射的光的傳輸單
全文摘要
本發明涉及垂直腔面發射激光二極管及其制造方法和相關裝置。該垂直腔面發射激光二極管包括基板上的第一導電型的第一半導體鏡面層、第一半導體鏡面層上的有源區、有源區上的第二導電型的第二半導體鏡面層和接近有源區的電流限制層。臺式晶體管結構形成為使電流限制層的至少一側表面露出。電流限制層包括具有鋁成分的第一半導體層和具有鋁成分的第二半導體層，第二半導體層形成為比第一半導體層更靠近有源區。第一半導體層的鋁濃度比第二半導體層的高。當激光的振蕩波長為λ時，作為第一和第二半導體層的厚度總和的光學厚度為λ/4。從臺式晶體管結構的所述側表面選擇地使第一和第二半導體層氧化。
文檔編號H01S5/187GK101237123SQ20071015407
公開日2008年8月6日 申請日期2007年9月13日 優先權日2007年2月2日
發明者吉川昌宏, 山本將央, 近藤崇 申請人:富士施樂株式會社