專利名稱：P在下的低阻的上發射脊垂直腔面發射激光器和制造方法
技術領域：
本發明涉及垂直腔面發射激光器，具體涉及帶有臺面結構的垂直腔面發射激光器。
垂直腔面發射激光器是眾所周知的，它們被制作成各種各樣的結構。但是，實際上在所有的結構中，激光器的主體是一個有源區，夾在二個鏡面層疊之間。使電流流過二個鏡面層疊和有源區來激活激光器。這通常是借助于在激光器的一端設置一個跨越鏡面層疊的第一電極和在激光器另一端設置一個跨越另一鏡面層疊的第二電極來實現的。其中的一個電極通常確定有一個中央窗口用來發射光。按照常規，為了便于制造，VCSEL裝置由n型導電的襯底通常承載的P型導電材料形成上鏡面層疊和n型導電材料形成下鏡面層疊來制作。
為了得到最高的效率，必須將電流的大部分注入到與光學模重疊的有源區部分中。激射區之外的電流是無用的或產生無用的激射。
為了克服這個問題，很多裝置采用了尺寸嚴格對應于光學模的臺面或脊，電流通過它而注入。雖然這減小了無用電流或激射，但也引起了串聯電阻增大，降低了效率。上電極面積的必要的減小進一步增大了串聯電阻。這是因為臺面的尺寸減小了，但發射窗口保持不變故而引起電極面積減小的緣故。
為了用諸如容性電流源之類的常規電流源來驅動垂直腔面發射激光器，當假設裝置的電容已低于驅動器和封裝件的電容時，必須降低裝置的串聯電阻。上鏡面層疊和上電極的具體接觸電阻取決于摻雜濃度。但是，摻雜濃度由于需要盡量減小自由載流子所造成的光損失而受到限制。因此，最佳摻雜無法單獨地實現足夠低的串聯電阻。正如1995年10月30日提交并轉讓給同一受讓人的、序號為08/550148的、題目為“低阻上發射脊VCSEL及其制作方法”的共同未決美國專利申請中所公開的那樣，借助于增大臺面特別是上鏡面層疊的尺寸，可大幅度減小串聯電阻。用鄰接于有源區的上鏡面層疊的氧化或切口部分，來控制電流進入有源區。雖然有效地減小了串聯電阻，但仍希望進一步減小。
為此，排除現有技術所固有的前述和其它的不足是極為有益的。
據此，本發明的一個目的是提供對于垂直腔面發射激光器的改進。
本發明的另一目的是提供一種電阻降低了的垂直腔面發射激光器。
本發明的又一目的是提供一種具有P在下結構的垂直腔面發射激光器。
本發明的再一個目的是提高垂直腔面發射激光器的運行速度。
簡言之，為了達到本發明的所需目的，根據其最佳實施例，這里提供一種高效率的垂直腔面發射激光器，它包含一個襯底、一個位于襯底上的P型導電的第一鏡面層疊、一個位于第一鏡面層疊上的有源區、一個位于有源區上的由沉積的介電材料組成的第二鏡面層疊、以及一個位于第二鏡面層疊和有源區之間的n型導電的接觸區。
現在還提供一種制造高效率垂直腔面發射激光器的方法。
結合附圖，從本發明最佳實施例的下文詳細描述，對本技術領域的熟練人員來說，本發明的上述和進一步的更具體的目的和優點將變得更為明顯。
圖1是根據本發明而制作的垂直腔面發射激光器的剖面圖；圖2是圖1中的垂直腔面發射激光器的局部剖面圖。
現參照附圖，圖中相似的參考號表示相應的元件。先看圖1，該圖示出了體現本發明的一種垂直腔面發射激光器(VCSEL)10。本發明的裝置由制作在適當材料襯底上的多個層組成。這些層通常用本技術領域熟知的MBE、MOCVD、CBE之類的外延沉積方法來制作。這些技術可用來外延沉積諸如砷化鎵、鋁鎵砷、砷化鋁、硅、銦鎵砷之類材料的薄層和厚層。
總的來說，襯底12如現在所理解的那樣，通常是與后續生長于其上的層兼容的砷化鎵(GaAs)或類似物。在襯底12的上表面上，生長一個P型導電的布拉格鏡面的鏡面層疊14。這與常規的VC-SEL(其中的n型導電鏡面層疊位于襯底上)相反。
業已發現P型導電材料中的空穴比n型導電材料中的電子運動得更慢，于是P型導電材料的固有電阻大于n型導電的電阻。在采用臺面(mesa)結構的常規VCSEL中，上鏡面層疊由P型導電材料組成。由于臺面結構的形成造成面積減小且由于它是由比n型導電材料電阻更大的材料所組成，故上鏡面層疊具有大的電阻。據此，為了減小串聯電阻，肯定地說，具有面積減小的亦即臺面結構的VC-SEL的部分應該由n型導電材料來制作。
鏡面層疊14通常由例如在襯底12上外延生長的多個成對的具有交變折射率的半導體層組成。每對交變層生長成預定厚度(在工作頻率時約為半波長)，而且對數選成在疊層數目限于實際可行的情況下能得到盡可能大的光反射率。在最佳實施例中，采用了約為30-40對。
有源區16生長在鏡面層疊14上，它包括被勢壘層分隔開的一個或更多個量子阱，其兩端有包層。此量子阱、勢壘層和包層都是外延生長的。量子阱根據熟知的現象受其上所加電流的恰當激勵時產生光子(光)。通常，加到有源區16的電流越大，所產生的光子數就越多。
再參照圖2，在最佳實施例中，在鏡面層疊14上沉積一層，以形成VCSEL10中的P型導電的包層18。包層18或者用雜質進行輕摻雜以得到P型導電，或者不摻雜。五個不摻雜的材料層聯合提供由兩個勢壘層21分隔開的三個量子阱層20。可以理解，可采用或多或少的層來提供所需的有源區。在有源區16的上表面上，沉積一個第二包層22，它或者用雜質輕摻雜成n型導電或者不摻雜。層18、20、21和22構成通常稱為“VCSEL10的腔”的結構，并且是VC-SEL10的產生光的部分。在VCSEL10的實施例中，為了下文將要討論的目的，用相當厚的輕摻雜包層將腔做成很長。鏡面層疊14和有源區16的制作在本技術領域中眾所周知，故在本文中不再贅述。
在第二包層22的上表面上，沉積一個接觸區24。接觸區24與腔相位匹配，且包括沉積在第二包層22上的一個第一層26和沉積在第一層26上的一個第二層28。層26和28中的每一個最好都小于或等于100，第一層26由AlGaAs組成而第二層28由GaAs組成。接觸區24用雜質重摻雜以得到n型導電，并確保接觸區24和下面將要更詳細地加以描述的電接觸之間的良好接觸。
利用常規的腐蝕技術將包層22和接觸區24制成有源區16上的一個臺面25。提供一個長腔以不腐蝕穿有源區16形成臺面25(也稱為“脊”)。對有源區16的腐蝕會大大降低VCSEL的可靠性，因此要避免。肯定地說，為了提供良好的光限制，要求臺面的臺階(高度)范圍為約2000-3000。為了達到這一高度而不腐蝕到有源區16，2-3個波長的腔最好，其第一包層18為1個波長厚，而第二包層22為2個波長厚。只有第二包層22和接觸區24被腐蝕。
如上所述，為了減小串聯電阻，第一鏡面層疊14由P型導電材料構成，而臺面25亦即接觸區24和第二包層22由n型導電材料構成。由于n型導電材料比P型導電材料的電阻低，故這就降低了電阻。于是，比起常規P在上的結構來，這種P在下的結構就以大面積而提供了第一鏡面層疊14的較高阻P型導電材料。此面積的直徑明顯大于臺面25的直徑(大于或接近于二倍)。這種大面積使電流可以擴展，于是減小電阻。接觸區24和第二包層22的n型導電材料本來就電阻較低，因此，減小n型導電材料組成的形成臺面25的接觸區24和第二包層22的面積，不如減小若為P型導電材料的面積那樣重要。
臺面25制作之后有一個相當于接觸區24頂表面的上表面29和大體垂直的側面。在直至接觸區24的臺面25的垂直側面上，沉積一個介電層30。介電層30可以是諸如氮化硅(SiNx)的任何一種熟知的材料，它防止電流從接觸區24以外的任何地方進入VC-SEL10而造成的短路。
第一電接觸32沉積在接觸區24的上表面和垂直側面上的介電層30上。第一電接觸32與接觸區24形成歐姆接觸。在此具體實施例中，第一電接觸層32由n型金屬組成。第一電接觸層32沉積在除上表面29中央的光發射窗口34之外的VCSEL10的整個上表面和側面上(在介電層30的外側面上)。窗口34的直徑最好為5-50μm。
第二電接觸36沉積在第一鏡面層疊14上鄰近器件。第二電接觸36為P型金屬，是與第一電接觸32相反的接觸。在第一電接觸32和第二電接觸36之間通過的電流，在前述的有源區16中產生光子。可以理解，第二電接觸36可位于所希望的各個位置，例如位于襯底12和鏡面層疊14之間，或在襯底12的下表面上。在后一種情況下，襯底12可用雜質進行高摻雜以得到P型導電。還可理解，電接觸36可以是高摻雜的半導體材料而不是金屬。
雖然n型導電材料的電阻比P型導電材料的低，由于鋁含量高的層中施主電離很差而使n型鏡面層疊的縱向電阻可能很大。鋁通常被用在鏡面層疊之中以提供不同的折射率。為了避免這個問題并進一步減小電阻，隨后借助于在臺面25的上表面上沉積多個介電材料層而制作了一個第二鏡面層疊40。介電鏡面層疊40在制作臺面25并沉積第一電接觸32之后沉積。
于是，電流的注入被控制住，注入到有源區32中，其光學模式決定于n型導電材料組成的臺面25的直徑，且由于P在下結構(以底部鏡面層疊作為大面積P型導電材料以及介電上鏡面層疊的采用而大大減小了串聯電阻。
對本技術領域的熟練人員來說，對此處舉例用的實施例可容易地做出各種改變和修正。對于不超越本發明構思的修改和變動，都包括在下列權利要求所規定的本發明的范圍之中。
對本發明已作了明確而清楚的充分描述，以使本技術領域的熟練人員能夠理解并實行本發明。
權利要求
1.一種高效率的垂直腔面發射激光器，其特征是一個襯底；一個第一鏡面層疊，位于襯底上，具有P型導電性；一個有源區，位于第一鏡面層疊上；一個第二鏡面層疊，位于有源區上，由沉積的介電材料而組成的；以及一個接觸區，位于第二鏡面層疊和有源區之間，具有n型導電性。
2.根據權利要求1所述的高效率垂直腔面發射激光器，其進一步特征是，一個第一包層，位于第一鏡面層疊和有源區之間，和一臺第二包層，位于該有源區和該接觸區之間，第一包層、有源區和第二包層構成一個腔。
3.根據權利要求2所述的高效率垂直腔面發射激光器，其特征在于，所述的腔具有至少為2個波長厚度。
4.根據權利要求3所述的高效率垂直腔面發射激光器，其特征在于，第二包層和該接觸區是構成一個臺面結構。
5.根據權利要求4所述的高效率垂直腔面發射激光器，其特征在于，臺面結構形成一個約為2000-3000范圍的臺階。
6.根據權利要求4所述的高效率垂直腔面發射激光器，其特征在于，第一鏡面層疊的直徑至少二倍于臺面結構的直徑。
7.根據權利要求4所述的高效率垂直腔面發射激光器，其特征在于，一個電接觸，連接該接觸區，確定一個中央光發射窗口，光通過此窗口而發射，此窗口的直徑范圍約為5-50μm。
8.根據權利要求4所述的高效率垂直腔面發射激光器，其特征在于，該接觸區是相位匹配于該腔。
9.根據權利要求4所述的高效率垂直腔面發射激光器，其特征在于，一個第二電接觸，耦合到第一鏡面。
10.一種制造高效率垂直腔面發射激光器的方法，其特征在于，包括以下步驟提供一個襯底；在襯底上制作一個P型導電的第一鏡面層疊；在第一鏡面層疊上制作一個腔；在腔上制作一個n型導電的接觸區；以及在接觸區上制作一個由沉積的介電材料組成的第二鏡面層疊。
全文摘要
一種高效率垂直腔面發射激光器包含一個襯底、一個位于其上的P型導電的第一鏡面層疊、一個由沉積的介電材料組成的第二鏡面層疊以及一個位于其間的包含一個位于第一包層和第二包層之間的有源區的腔。n型導電的接觸區位于第二包層上，二者構成臺面結構。電接觸連接接觸區且確定一個中央光發射窗口。
文檔編號H01S5/00GK1165418SQ9710244
公開日1997年11月19日 申請日期1997年2月17日 優先權日1996年2月26日
發明者菲利浦·凱里, 鮑爾·克萊瑟 申請人:摩托羅拉公司