專利名稱：垂直腔面發射激光器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種激光光源，更具體地講，涉及一種垂直腔面發射激光器。
背景技術：
傳統的邊沿發射激光器沿平行于層積面(laminated surface)的方向振蕩 激光，而垂直腔面發射激光器沿垂直于層積面的方向振蕩激光。垂直腔面發 射激光器具有比邊沿發射激光器低的驅動電流值，并且以穩定的基本橫模 (cross mode)運行。此外，由于垂直腔面發射激光器具有較小的光束發散， 因此已被廣泛用于光通信或光學信息記錄，或者用作全息存儲器。圖1是示出垂直腔面發射激光器的截面圖。參照圖1，傳統的垂直腔面 發射激光器包括基底、逐漸生長在基底上的下反射鏡、振蕩區、上反射鏡、 接觸層和上電極。此外，在基底上形成下電極(未示出)以與上電極一起將 電施加到垂直腔面發射激光器。圖1是示出傳統垂直腔面發射激光器的截面圖。參照圖1,傳統的垂直 腔面發射激光器100包括n-GaAs基底110、生長在基底110上的由GaAs或 AlGaAs制成的下反射鏡120、生長在下反射鏡120上的激活層(activation layer) 130以及生長在上反射鏡140上的透明導電氧化物層141等。激活層 130起到振蕩激光的振蕩層的作用。上反射鏡140可由p型AlAs或AlGaAs材料制成。在上反射鏡140由p 型AlAs或AlGaAs材料制成的情況下，可利用Zn或C進行p型摻雜，以使 注入電流。上述垂直腔面發射激光器100有許多類型。根據制造方法，垂直腔面發 射激光器可分為MBE型垂直腔面發射激光器和復合型垂直腔面發射激光器。在MBE型垂直腔面發射激光器中，層積面(上反射鏡、下反射鏡和激 活層)通過MBE或MOCVD工藝形成。在生長了層積面之后，可進行非常 簡單的處理以獲得垂直腔面發射激光器。所述處理的例子包括蝕刻、摻雜氫 離子以及附著電極。MBE型垂直腔面發射激光器具有物理上堅固的優點。
另一方面，通過在表面(下反射鏡和激活層)^皮層積之后，層積Si02、 SiNx和Ti02或Au和Ag以形成上反射鏡的單獨的真空沉積工藝來實現復合 型垂直腔面發射激光器。復合型垂直腔面發射激光器的一個缺點在于與MBE型垂直腔面發射 激光器相比，復合型垂直腔面發射激光器物理上脆弱。然而，復合型垂直腔 面發射激光器的優點在于其具有較低的電阻。由于復合型垂直腔面發射激光器和MBE型垂直腔面發射激光器的振蕩 的激光都具有10 16pm的諧振振幅，所以這兩種激光器可包括多模激光。在圖1中所示的垂直腔面發射激光器100中，為了限制激光的振蕩模式， 上反射鏡140被部分蝕刻，以具有不同的反射率。從而，可抑制遠場圖(far-field pattern)的變形。盡管圖1中所示的垂直腔面發射激光器100能夠抑制遠場圖的變形，但 是垂直腔面發射激光器100的一個缺點在于激光器100難以減小遠場圖的 大小。為了解決這一問題，已提出了眾多垂直腔面發射激光器和眾多制造這樣 的激光器的方法。然而，大多數提出的垂直腔面發射激光器所振蕩的激光的模式沒有保持 恒定。相反，模式根據輸入電流的改變而改變。這種針對輸入電流的改變的 模式的改變帶來了問題。具體地講，由于模式具有空間上不同的分布，所以 當為了提高振蕩激光的強度而增加電流量時，遠場圖可能改變。發明內容因此，作出本發明以通過提供一種無論施加的電流如何改變都能夠穩定 保持遠場圖并能夠提供窄的遠場圖的垂直腔面發射激光器，來解決出現在現 有技術中的上述問題并提供另外的優點。根據本發明的一方面，提供一種垂直腔面發射激光器。該垂直腔面發射 激光器包括形成在接觸層的中央部分處的反射透鏡以及與反射透鏡分隔開 預定距離并圍繞反射透4竟的周圍的上電極。根據本發明的另一方面，提供一種制造垂直腔面發射激光器的方法，包 括步驟在將下電極形成在半導體基底的下表面上之后，在半導體基底上依 次生長下反射鏡、振蕩區、上反射鏡和接觸層；在接觸層上形成環形掩模， 在該環形掩模的中央部分處形成臺形開口 ；通過掩模的臺式結構的開口生長 反射透鏡，該反射透鏡具有厚度不同的中央部分和外圍部分；在去除掩模之 后，圍繞反射透鏡的周圍形成環形上電極。
通過下面結合附圖的詳細描述，本發明的特點和優點將更明顯，其中 圖l是示出根據傳統技術的垂直腔面發射激光器的截面圖； 圖2是示出根據本發明 一方面的垂直腔面發射激光器的截面圖； 圖3是示出圖2中所示的反射鏡的厚度和與該厚度對應的反射率之間的 關系的曲線圖；圖4是示出圖2中所示的垂直腔面發射激光器中的振蕩區的截面圖； 圖5是示出掩模的截面圖，其中，該掩模的內側表面具有形成在接觸層 上的臺式結構，以便生長圖2中所示的反射透鏡；圖6是示出依據圖2中所示的反射透鏡選擇激光的模式的曲線圖；圖7是示出圖2中的反射透鏡和發射的激光的遠場圖之間的關系的示圖。
具體實施方式
以下，將參照附圖詳細描述本發明的幾個方面。由于公知功能和結構的 詳細描述將使本發明的主題不清楚，因此為了清晰和簡明起見，省略這些描 述。圖2是示出根據本發明第一方面的垂直腔面發射激光器的截面圖。參照 圖2，根據本發明的垂直腔面發射激光器200包括接觸層250、形成在接觸 250的中央部分處的反射透鏡260、上電極202、下反射鏡220、上反射鏡240、 振蕩區230和下電極201,其中，上電極202與反射透鏡隔開期望的距離并 且圍繞在反射透鏡的周圍。接觸層250可通過層積p型GaAs而形成。基底210可由n-GaAs制成。 通過在基底上生長n-GaAs或AlGaAs來形成下反射鏡220。上反射鏡240可 由多層交替層積的p-AlAs和AlGaAs制成。如果上反射鏡由AlAs和/或 AlGaAs制成，則可使用Zn或C進行p型摻雜。可通過利用MOCVD或MBE生長多層的n型反射鏡來形成下反射鏡 220。可通過交替地生長高折射率的厚度為800A的AlGaAs和低折射率的厚
度為IOOOA的AlGaAs35至45層來形成下反射鏡220。注意，數量35至40 表示層積的層的數量，其中，每一層積的層包括一個高折射率層和一個低折 射率層。圖4是示出圖2中所示的垂直腔面發射激光器200中的振蕩區230的截 面圖。振蕩區230包括激活層232，該激活層232具有多量子阱結構，并且 生長在上包層231和下包層233之間。振蕩區230中產生的光在上反射鏡240 和下反射鏡220之間諧振，產生的光作為激光輸出。電流隔離層203布置在 振蕩區230兩側。下包層231生長在下反射鏡220上，上包層233布置在上反射鏡240下 面。激活層232由GaAs材料制成。圖5是示出反向臺(reverse mesa)形式的掩模的截面圖，其中，所述掩 模以臺式結構的形式生長圖2中所示的反射透鏡260。在反射透鏡260中， 中央部分和外圍部分可具有不同的高度。掩模301通過光刻(photol池ography)形成在接觸層250上，掩模301 在中央部分處具有開口，用于形成反射透鏡260。掩4莫301的側壁具有反向 臺式結構，在該結構中，從接觸層250向中央部分變窄。結果，通過掩模301 的內側壁產生的空間具有臺式結構。在形成掩模301之后，通過將多個介電材料沉積在多層中來生長反射透 鏡260。所述介電材料可包括Si02或Ti02。由于反射透鏡260的沉積厚度部 分地受到掩模的限制，所以反射透鏡可具有期望的曲率。例如，如果反射透鏡的厚度約為L6 2.(Vm,則掩模301應該具有 2.5 1(^m的厚度。由于掩模301的高度被設計為高于反射透鏡260的高度， 所以形成的反射透鏡260可在中央部分具有一個厚度，而在外圍部分具有另 一個不同的厚度。可通過交替地層積1500A的Si02和780A的Ti026或8層 來形成反射透鏡260。因此，反射透鏡260的中央部分的厚度約為1.6 2.0pm，而外圍部分的 厚度約為Opm。反射透鏡的厚度連續變化，以使得反射透鏡具有平滑的曲面。 在生長反射透4竟260之后，通過光致抗蝕剝離劑(photo-resist stripper)，如 NMP或丙酮來去除掩才莫301。可使用高折射率的材料和低折射率的材料來生長反射透鏡260。此外， 反射透鏡260的材料可以是在振蕩激光的波長內吸收率低或者無吸收的材料。可用的介電材料包括Si(VSiNx、 Al203/Ti02、 Al203/SiNx、 SiO/Ta205等。圖6是示出依據圖2中所示的反射透鏡260選擇激光的模式的曲線圖。 此外，圖6示出通過測量反射透鏡260的波長段而獲得的光譜特性。參照圖 6所示的曲線，反射透鏡260在約750 1050nm的波長段內具有99%的反射率。 反射透鏡260的所述波長段和反射率可根據垂直腔面發射激光器的振蕩光的 波長進行不同的設置。圖3是示出圖2中所示的反射透鏡260的厚度和反射率之間的關系的曲 線圖。如圖3所示，如果反射透鏡的厚度減小到85%，則反射透鏡260的反 射率逐漸減小到約98%。然而，如果反射透鏡的厚度減小到80%，則反射透 鏡260的反射率快速減小至低于85%。根據本發明的反射透鏡260根據厚度的改變而在反射透鏡260的中央部 分和反射透鏡260的外圍部分處具有不同的反射率。因此，反射透鏡的中央 部分和外圍部分具有不同的反射率。如果針對將被振蕩的波長段內的光，反射透鏡260具有低于98%的反射 率，則激光不容易被振蕩。如圖3中所示，如果反射透鏡的厚度小于原始厚 度的80%，則反射透鏡的反射率低于85%。因此，激光不能振蕩。由于通過閾值電流首先產生的那種模式的激光從反射透鏡的中央部分發 射，所以根據本發明的反射透鏡260可有選擇地振蕩激光，以使得僅包括位 于遠場圖的中央部分處的那種模式。因此，即使施加的電流量增加，本發明 也能夠僅振蕩遠場圖的中央部分中的那種模式的激光。此外，如圖7中所示，由于反射透鏡260具有使得外圍部分的厚度小于 中央部分的厚度的曲率，所以反射透鏡260會聚發射的激光。反射透鏡260 的曲率和大小祐 沒置以具有期望的焦距。用于制造根據本發明的垂直腔面發射激光器的方法包括以下步驟在將 下電極形成在半導體基底的下表面上之后，依次生長下反射鏡、振蕩區、上 反射鏡和接觸層；在接觸層上形成環形掩模，在該環形掩模的中央部分處形 成臺形開口；生長反射透鏡，該反射透鏡由于掩模的臺式結構的開口而具有 厚度彼此不同的中央部分和外圍部分；在去除掩模之后，圍繞反射透鏡的周 圍形成環形上電^ L本發明還包括一種反射透鏡，該反射透鏡具有使得厚度從反射透鏡的中 央部分向外圍部分逐漸減小的曲率。因此，本發明能夠振蕩期望的模式的激
光，這是因為在閾值電流施加期間發射的所述模式的激光形成在反射透鏡的 中央部分。此外，由于本發明的反射透鏡被生長為具有從中央部分向外圍部分減小 的厚度，所以振蕩的激光的遠場圖可減小。此外，由于可根據反射透鏡的曲率調節激光的焦點，所以本發明使具有 不同的焦距的垂直腔面發射激光器的制造變得容易。盡管參照本發明的某些優選實施例顯示和描述了本發明，但是本領域技 術人員應該理解，在不脫離由權利要求限定的本發明的范圍和精神的情況下， 可進行各種形式和細節上的改變。
權利要求
1、 一種垂直腔面發射激光器，包括 接觸層；反射透鏡，布置在接觸層的中央部分處；上電極，與反射透鏡分隔開預定距離，并被構造為圍繞反射透鏡。
2、 如權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，還包括 基底；下反射鏡，布置在所述基底上； 上反射鏡，布置在下反射鏡上；振蕩區，介于上反射鏡和下反射鏡之間，該振蕩區被構造為將激光振蕩 并輸出至上反射鏡。
3、 如權利要求2所述的垂直腔面發射激光器，還包括下電極，布置在 所述基底的下部。
4、 如權利要求2所述的垂直腔面發射激光器，其中，所述下反射鏡是通 過MOCVD和MBE之一生長的多層n型反射鏡。
5、 如權利要求4所述的垂直腔面發射激光器，其中，所述下反射鏡包括 多層交替層積的GaAs和AlGaAs。
6、 如權利要求2所述的垂直腔面發射激光器，其中，所述振蕩區包括 下包層，布置在所述下反射鏡上；激活層，布置在下包層上； 上包層，布置在激活層上。
7、 如權利要求6所述的垂直腔面發射激光器，還包括電流隔離層，布 置在振蕩區的側部。
8、 如權利要求6所述的垂直腔面發射激光器，其中，所述激活層是GaAs 基材料。
9、 如權利要求2所述的垂直腔面發射激光器，其中，所述上反射鏡是包 含AlAs和AlGaAs層的p型反射鏡，包括多層交替層積的AlAs和AlGaAs。
10、 如權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中，所述接觸層是p 型GaAs。
11、 如權利要求1所述的垂直腔面發射激光器，其中，所述反射透鏡的 中央部分和外圍部分具有不同的高度。
12、 如權利要求11所述的垂直腔面發射激光器，其中，所述反射透鏡包 括多層交替形成的具有不同的折射率的介電材料。
13、 一種制造垂直腔面發射激光器的方法，該方法包^fe以下步驟 在將下電極形成在半導體基底的下表面上之后，依次在半導體基底上生長下反射鏡、振蕩區、上反射鏡和接觸層；在接觸層上形成環形掩;f莫，在該環形掩^t的中央部分處形成臺形開口 ； 通過掩模的臺式結構的開口生長反射透鏡，該反射透鏡具有厚度不同的中央部分和外圍部分；在去除掩模之后，圍繞反射透鏡形成環形上電極。
14、 如權利要求13所述的方法，其中，所述掩模的開口的側壁被蝕刻為 反向的臺式結構。
15、 如權利要求13所述的方法，其中，所述反射透鏡生長為具有預定的 曲率并且厚度從反射透鏡的中央部分向外圍部分逐漸減小。
全文摘要
公開了一種垂直腔面發射激光器及其制造方法。所述激光器包括形成在接觸層的中央部分處的反射透鏡以及與反射透鏡分隔開并且圍繞反射透鏡的上電極。制造該激光器的方法包括以下步驟在半導體基底的下表面上形成下電極之后，在半導體基底的上表面上依次生長下反射鏡、振蕩區、上反射鏡和接觸層；在接觸層上形成環形掩模，在該環形掩模的中央部分處形成臺形開口；通過掩模的臺式結構的開口生長反射透鏡，該反射透鏡具有厚度不同的中央部分和外圍部分；在去除掩模之后，圍繞反射透鏡形成環形上電極。
文檔編號H01S5/183GK101145674SQ200710154099
公開日2008年3月19日 申請日期2007年9月14日 優先權日2006年9月15日
發明者李燾英, 仁 金, 金映鉉 申請人:三星電子株式會社