专利名称：表面发射半导体激光器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用作光信息处理和光通信的光源的表面发射半导体激光器及这种激光器的制造方法。更特别地，本发明涉及用于接合在表面发射半导体激光器中使用的互连的电极焊盘的结构。
背景技术：
近些年来，对能够容易实现光通信和光互连技术领域中的光源阵列的表面发射半导体激光器的需求一直在增长。今后，表面发射半导体激光器包括表面发射激光器本身和使用激光器的装置两者。多重光源能使数据平行传输(平行处理)，以便显著提高传输容量和速率。
表面发射半导体激光器需要有能够有效地限制有源层中的电流的电流限制结构。选择性地氧化含铝半导体层的方法作为用于限制电流的方法是公知的。
这种类型的具有折射率波导结构的激光器使用通过选择性地氧化有源层附近的多层半导体反射膜的部分来限定的波导，以便能够限定出高阻抗区。此外，处理高阻抗区以使其具有减少的折射率值。上述波导提供强的光限制效应，因此实现低阈值电流和高响应度的优良性能。
图8A是具有激光器部分的常规选择性氧化型表面发射激光器的剖面图，该激光器部分由柱体结构限定，该柱体结构例如是一个包括通过去除激光器部分的周边而获得的圆形或矩形的台面形柱体。图8B是图8A中示出的激光器的平面图。表面发射半导体激光器100具有上发射型激光器部分102，该上发射型激光器部分102具有包括在半导体衬底101上形成的选择性氧化区110的柱体结构。将金属层10与在激光器部分102顶表面上的接触区103相连接。金属层104经由电极引出线106延伸到电极焊盘部分105。金属层104在电极焊盘部分105中限定出正方形的接合片107。将连接在接合线108端部的金属球109与接合片107接合。
将电极焊盘部分105设置在与激光器部分102隔离开的台面结构的底部平坦表面上。上述布置导致耦合于激光器部分102的静电电容和由电极焊盘部分105产生的另一静电电容(寄生电容)。如果高速驱动(调制)激光器，响应度会取决于RC时间常数而退化。
图8A和8B示出的表面发射激光器二极管具有另一缺点。在刻蚀形成在半导体衬底101上的多个层叠层以此限定出柱体结构的处理中，将AlGaAs半导体层111暴露于半导体衬底101上。从其侧表面氧化包含在柱体结构中的AlGaAs层以便限定出电流限制层。在上述氧化处理中，暴露在半导体层101上的AlGaAs层111的部分同时被氧化。然后，将由例如SiNx组成的层间绝缘膜112层叠在部分被氧化的AlGaAs层111上，并且在其上淀积作为接合电极的金属层104。然而，层间绝缘膜112在刻蚀后的晶片表面(AlGaAs层)上粘附的并不是很好，容易从其上剥离。这样，上述结构作为接合片电极不具有令人满意的强度。
提高粘附性的方法已经广泛地被利用。建议的方法用聚酰亚胺填充刻蚀区以加长金属电极和衬底表面之间的距离，以便可以减小从电极焊盘部分105中产生的静电电容。虽然聚酰亚胺对于半导体材料不具有所需的好的粘附性，但它具有作为材料属性的粘性。按照上面的事实，聚酰亚胺具有受聚酰亚胺所粘附材料的表面条件和组成成分影响较小的优点。
然而，在制造具有几个微米大的高度差的不平坦形状的表面发射半导体激光器的处理工艺中，很难使聚酰亚胺层的表面平坦。这使得晶片上的膜厚不均匀，且很难制造具有均匀性能的激光器。下面将提到另一缺点。需要增加聚酰亚胺层以便尽可能多地减小寄生电容。如果聚酰亚胺层太厚，材料容易聚集到激光器部分的周边，该激光器部分具有通过其发射光的小孔。聚集到激光器部分周边的材料可能在接触部分引起台阶状的断裂且污染小孔。这样降低了产量。由于聚酰亚胺和用于形成表面发射激光器二极管的半导体材料的热膨胀系数不同而造成了另一缺点。这一不同在操作中产生热，导致界面附近产生应力。应力降低了器件的性能。另外，聚酰亚胺的使用增加了制造步骤的数量和成本。这一因素应该在大规模生产中避免，尽管它会在研究和开发阶段被接受。如上所述，聚酰亚胺的使用并未获得好的再现性和均匀一致性，不能弥补所带来的麻烦和昂贵的处理成本。
在例如日本未审专利公开No.9-223841中描述了另一建议。这一建议示出具有沟槽结构的表面发射半导体激光器，在其中将孔或凹槽部分地形成在激光器部分的周边。更特别地，在建议中描述的表面发射半导体激光器使用在从激光器部分延伸出的电极引出部分两侧的凹槽以便提高产量。当激光器部分中的AlAs被氧化时，在电极引出部分中的AlAs全部被氧化。
然而，所建议的表面发射半导体激光器仍具有关于由电极焊盘部分产生的静电电容的问题，且不能高速操作激光器部分。
发明内容
本发明是考虑到上述情况作出的，并提供表面发射半导体激光器及其制造方法。
更特别地，本发明提供表面发射半导体激光器，其具有柱体结构，在该柱体结构中可以减小由电极焊盘部分产生的寄生电容，不过它具有简单的结构并且可以高产量制造大量具有均一特性的激光器。
根据本发明的一个方面，表面发射半导体激光器具有衬底；具有第一柱体结构的激光器部分，该第一柱体结构设置在衬底上并且在其顶表面上具有接触区；和具有设置在衬底上的第二柱体结构的电极部分，电极部分包括与接触区电连接并从其中延伸的导电层。
根据本发明的另一方面，表面发射半导体激光器包括被层叠的第一多层反射膜、氧化控制层、有源层和第二多层反射膜；激光器部分，该激光器部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第一柱体结构，且其具有在第一多层反射膜顶表面上形成的第一导电类型接触区；和电极部分，该电极部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第二柱体结构，且其具有连接到经由绝缘膜形成在第一多层反射膜上的第一导电类型接触区的电极层。
根据本发明的再一方面，表面发射半导体激光器包括激光器部分，该激光器部分设置在半导体衬底上并具有通过选择性地氧化含铝半导体层的一部分而限定出的电流限制部分；和用于向激光器部分提供电流的电极部分，电极部分具有通过氧化含铝半导体层的另一部分而限定出的氧化物区，电流限制部分与氧化物区分离。
根据本发明的又一方面，表面发射半导体激光器包括层叠的第一多层反射膜、氧化控制层、有源层和第二多层反射膜；激光器部分，该激光器部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第一柱体结构，且其具有在第一多层反射膜顶表面上形成的第一导电类型接触区；第一电极部分，该第一电极部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第二柱体结构，第一电极部分具有经由绝缘膜设置在第一多层反射膜顶表面上并与第一导电类型接触区连接的电极层；形成在第二多层反射膜侧面上的第二导电类型接触区；和第二电极部分，该第二电极部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第三柱体结构，且其具有经由绝缘膜形成在第一多层反射膜顶表面上并连接到第二导电类型接触区的电极层。
根据本发明的再一方面，制造表面发射半导体激光器的方法包括步骤在衬底上形成多层结构，多层结构包括含铝半导体层和第一和第二导电类型的半导体层；通过刻蚀多层结构在衬底上形成第一和第二柱体结构，以便含铝半导体层的侧表面被暴露；从其侧表面氧化包括在第一和第二柱体结构中的含铝半导体层；在包括第一和第二柱体结构的衬底上形成绝缘膜；从第一柱体结构的顶表面上除去绝缘膜，以便第一柱体结构中的第一导电类型的半导体层的一部分被暴露；并淀积从第一柱体结构中的第一导电类型的半导体层的暴露部分延伸至第二柱体结构的顶部的金属层。
将基于下面的附图对本发明的优选实施例进行详细描述，其中图1A是根据本发明第一实施例的表面发射半导体激光器的剖面图；图1B是图1A中示出的表面发射半导体激光器的平面图；图2A，2B和2C是制造图1A和1B中示出的表面发射半导体激光器的方法的剖面图；图3A，3B和3C是跟随图2A，2B和2C中示出的步骤的剖面图。
图4A，4B，4C和4D分别是根据本发明第二实施例的表面发射半导体激光器的电极焊盘部分的平面图；图5A示出AlAs氧化物区；图5B示出常用的层间绝缘膜的区；图5C示出用于本发明第二实施例中的AlAs氧化物和层间绝缘膜的区；图6是根据本发明第三实施例的表面发射半导体激光器的剖面图；图7是根据本发明第四实施例的表面发射半导体激光器的剖面图；图8A是常规表面发射半导体激光器的剖面图；图8B是图8A中示出的表面发射半导体激光器的平面图。
具体实施例方式
本发明的表面发射半导体激光器是所谓的氧化-限制VCSEL(垂直腔面发射半导体激光器)。激光器部分和电极部分具有各自的柱体结构，它们可能是台面结构。柱体结构被限定为一个在其中柱体的周边被除去的结构，并与周边物理分离或隔离开。形成柱体结构可以导致在柱体的附近产生凹槽或沟槽。凹槽或沟槽的尺寸、形状和深度没有特别地限制。
优选地，衬底是半导体衬底。另选地，可以使用绝缘衬底。绝缘衬底的使用需要在其正表面上而不是背表面设置接触层。在这种情况下，发射激光的小孔可以设置在绝缘衬底的背面上。半导体衬底可以由例如GaAs、InP、AlGaAs制成。
激光器部分和电极部分各自的柱体结构包括在衬底上层叠的多层公共层。柱体结构被由例如SiNx或SiO2制成的绝缘膜覆盖。在电极部分中的柱体结构的顶表面上的绝缘膜上形成电极焊盘表面。通过选择性地氧化激光器部分中的AlAs层形成电流限制部分。电极部分的AlAs层同时被氧化。这样形成的氧化膜对减小耦合于电极部分的静电电容有贡献。
电极部分的柱体结构可以由多个柱体构成。通过将柱体结构分割成具有适当宽度的多个柱体，可以完全地氧化被分割的柱体的AlAs层。用于电极部分的柱体结构的金属层可以是将布线接合于其上的电极焊盘表面，或将金属球接合于其上的电极表面。
通过参考附图，将给出本发明实施例的详细说明。
图1A是根据本发明第一实施例的表面发射半导体激光器的剖面图，且图1B是图1A中示出的激光器的平面图。激光器包括n型GaAs衬底1，n型下多层半导体反射层2，有源区3，电流限制/寄生电容减少部分4，p型上多层反射膜5，p型接触层6，层间绝缘层7，p型环状电极9，引出线10，电极焊盘11，n侧全表面电极12，和光发射小孔15。有源区3是未掺杂隔离层、未掺杂量子阱层和未掺杂阻挡层的叠层。电流限制/寄生电容减少部分4由AlAs氧化物形成。从这一观点来看，电流限制/寄生电容减少部分可以被称作氧化控制层。引出线10从环状电极9引出。电极焊盘11从引出线10连续延伸。在电极焊盘11上设置金属球13，并将其连接到接合线14的端部。
激光器具有激光器部分20。激光器部分20形成氧化限制VCSEL，该VCSEL具有通过刻蚀层叠在半导体衬底1上的半导体层而限定的半导体层叠柱体。半导体层叠柱体可以被称作柱体形状、柱体结构、台面、台面型等等。柱体中的AlAs半导体层被部分氧化，所得的氧化物作为电流限制层4。这样，能够实现有效的电流和光限制并可获得具有低阈值电流的稳定横向模式激光振荡。相比较，AlAs层的氧化部分是根据等效电路在激光器部分20上寄生的静电电容的一个因素。如果AlAs层的氧化部分过大，它可能与从电极焊盘部分30产生的寄生电容一起阻碍高速调制。
可以称之为接触电极的环状电极9用于向激光器部分20提供电流。将环状电极9连接到设置在激光器部分20顶部上的p型接触层6。在实际操作中，当该器件被安装到例如晶体管座之类的支撑工具时，将接合线直接连接到接触电极9。然而，这种接合类型需要接触电极9的面积非常大。在制造工艺和性能方面是不可行的。
考虑到上述情况，本发明使用与激光器部分20分开提供的电极焊盘部分30。使用电极焊盘部分30将接合线连接到激光器，并且其具有与激光器部分20相同的柱体结构和相同的叠层。这意味着电极焊盘部分30的柱体结构具有通过氧化AlAs半导体层的一部分获得的氧化物区4。电极焊盘部分30的氧化物区4相应于激光器部分20的电流限制层部分4。因为柱体结构的顶部被层间绝缘膜7覆盖，因此不向电极焊盘部分30的氧化物区4提供电流。因此，在电流限制中不涉及设置在电极焊盘部分30中的AlAs氧化物区4，但是其将与覆盖在柱体结构顶部的层间绝缘膜7一起产生静电电容。
根据电路原理的教导，在下面给出具有串联连接的静电电容C1和C2的容性电抗的元件的组合电容C1/C＝1/C1+1/C2当给出C1和C2的有限数量，C＜C1，C2总是成立的。这样，当将另一容性元件加到感兴趣的容性元件时，组合电容值小于单个容性电容的值。
基于上述原理，根据本发明，在电极焊盘部分30中设置AlAs氧化物区4(图3A)以便将其串联连接到层间绝缘膜7。在下文中，将给电极焊盘部分30中的AlAs氧化物区一个参考标记4a以便与激光器部分20中的AlAs氧化物区4区分。AlAs氧化物区4a作为寄生电容减少部分并因此减少由用于布线接合的电极焊盘部分30产生的寄生电容。而且，由于电极焊盘部分30与激光器部分20分离，确认了下述优点。
通过刻蚀和热处理形成激光器部分20。在很多情况下，通过刻蚀而暴露的晶片的表面是AlGaAs(用于表面发射半导体激光器的典型材料)。含铝半导体层在热处理中易于被氧化。在常规结构中，电极焊盘部分基本形成在具有氧化表面的半导体层上。将层间绝缘膜淀积在通过刻蚀而暴露的半导体层上，并将作为电极焊盘的金属电极蒸镀在其上。
然而，不能在被氧化的半导体表面(AlGaAs)和淀积在其上的层间绝缘膜(SiNx等)之间获得好的粘附性。下述问题会经常发生。当将金属布线接合到电极焊盘时，层间绝缘膜从半导体表面脱离并去除，由于层间绝缘膜的变形，导致层间绝缘膜的去除或者电极焊盘的去除。
电极焊盘部分30不同于常规的电极焊盘部分，因为电极焊盘部分30包括与激光器部分20分离的(第二)柱体结构并且第二柱体结构的顶部不被刻蚀而是p型GaAs接触层6被刻蚀。接触层6与激光器部分20的接触层6相同，在刻蚀和热处理期间被保护膜覆盖。这样，电极焊盘部分30的接触层6的表面不会被氧化，没有化学变化而保持清洁。通过在接触层6上设置层间绝缘膜7和电极焊盘11，它们之间的粘附性可以显著提高并且可以消除由于布线接合导致的不期望的去除。
参考图2A至2C和3A至3C将给出根据本发明第一实施例的表面发射半导体激光器制造方法的详细描述。图2A至2C和3A至3C示出具有图1A和1B中示出的结构的850nm表面发射半导体激光器的制造方法的步骤。
首先，如图2A中示出，通过MOCVD(金属有机物化学气相淀积)在n型GaAs衬底1的表面(100)上按这一顺序层叠n型下多层反射膜12、未掺杂有源区3、p型上多层反射膜5和p型接触层6，以便在衬底1上可以形成由这些层组成的多层结构。
下多层反射膜2由n型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.15Ga0.85As层的多个对组成。每一层为λ/4nr厚，这里λ是振荡波长而nr是介质的折射率。具有不同成份比(composition ratio)的成对的层交替叠置到40.5周期的厚度。在掺入n型杂质硅之后的下多层反射膜2的载流子浓度是3×1018cm-3。
上多层反射膜5由p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.15Ga0.85As层的多个对组成。每一层为λ/4nr厚，这里λ是振荡波长而nr是介质的折射率。具有不同成份比的成对的层交替叠置到24周期的厚度。在掺入p型杂质碳之后的上多层反射膜5的载流子浓度是5×1018cm-3。上多层反射膜5的最下层5a由AlAs而不是Al0.9Ga0.1As制成，因为通过后续工艺将最下层5a变成电流限制/寄生电容减少区4a。
上多层反射膜5的周期的数目(层的数目)小于下多层反射膜2的原因是，这样形成的差别导致光从衬底1的上面发射。为了减小柱体中的串联电阻，在实践中，将一个中间(递变的)(graded)层插入上多层反射膜5的p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.15Ga0.85As层之间，中间层具有在p型Al0.9Ga0.1As层的成份比和p型Al0.15Ga0.85As层的成份比之间的中间成份比。为了简化的缘故，不再说明这一中间层。
有源区3具有量子阱结构，在该量子阱结构中，交替地层叠具有8nm厚度的未掺杂GaAs量子阱层和具有5nm厚度的未掺杂Al0.3Ga0.7As层。将有源区3设计成具有在850nm波长区的光发射。
由未掺杂Al0.6Ga0.4As层形成的作为形成有源区3中的多个层之一的隔离层在其中心包括量子阱结构。整个隔离层具有的膜厚同λ/nr的整数倍一样大，这里λ是振荡波长而nr是介质的折射率。上述结构在有源区3中产生驻波，以便将“波腹”部分设置在量子阱中，在该“波腹”部分中可得到最强光强度。
作为p型GaAs层的接触层6为20nm薄，并且在其被掺入作为p型杂质的碳之后具有1×1020cm-3的载流子浓度。GaAs具有约1.4eV的能带间隙并吸收从由有源区发射的在850nm波长放射线中的光。然而，由于接触层6非常薄且其远离有源层3，因此不会从接触层6中产生任何问题。
从生长室中移走晶片并通过RF溅射将氮化硅(SiNx)膜淀积在包括p型GaAs接触层的晶片的整个表面。
然后，如图2B中所示，用光刻技术将氮化硅膜图形化成具有30μm直径的圆形掩模41和边长为100μm的正方形掩模42。将正方形掩模42设置成50μm的中心至中心距离。
使用氮化硅膜41和42作为刻蚀掩模，用氯基气体干法刻蚀p型GaAs接触层6和由p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.15Ga0.85As层的多个对组成的上多层反射膜5。如图1B和2C中所示，干法刻蚀产生分别具有圆柱形和正方柱形的第一和第二柱体结构43和44。而且，需要用干法刻蚀来至少暴露上多层反射膜5的最下层AlAs层。
这样获得的两个柱体结构43和44被湿法氧化处理，其中将这些柱体结构在350 C下的潮湿蒸汽中暴露大约20分钟。将在柱体结构43和44的每一个中的上多层反射膜5中的AlAs层从其外周部(侧表面)氧化，以便将其转换成Al2O3。这样，如图3A中所示，绝缘区(选择性氧化层)形成在柱体结构43和44的外周部分中。柱体结构43的氧化部分作为电流限制层4而柱体结构44的氧化部分作为寄生电容减少部分4a。
然后，包括柱体结构43和44的侧表面的整个晶片(衬底)表面通过RF溅射被氮化硅膜7覆盖。其后，如图3B中所示，在圆柱体结构43的顶表面上的氮化硅膜7被刻蚀以便形成具有20μm直径的窗口45。与此同时，正方柱形柱体结构44的顶部不被做任何处理，如图3B中所示。
然后，如图3C中所示，具有高电导性的金属膜被淀积到圆柱体结构43顶部上的窗口45的附近以便制造与p型GaAs接触层6的电接触，这里金属膜可以是，例如Ti/Au。该金属膜形成p侧环状电极9、在柱体侧表面和底部之间的引出线，和设置在正方柱形柱体结构44顶部上的氮化硅膜7上的电极焊盘11。
最后，在衬底1的背面淀积具有高电导性的金属膜，该金属膜可以是，例如AuGe/Ni/Au。金属膜作为n侧全表面电极12。以这种方式，可以制造如图1A和1B中所示的850nm表面发射半导体激光器。
工艺进行到将金属球13熔接到电极焊盘11并将接合线从其延伸出的安装步骤。
发明者对图1A和1B中示出的表面发射半导体激光器与图8A和8B中示出的常规激光器进行拉伸试验。在拉伸试验中，对每一个激光器拉伸十次接合线。对于常规激光器，在该激光器中电极焊盘设置在限定柱体结构的底部上，可以确认6.9g的强度和0.62g的标准偏差。相比较，对于对图1A和1B中示出的激光器，可以获得8.8g的强度和1.17g的标准偏差。这样可以在强度方面取得30％的提高。
本发明的第一实施例在向激光器提供电流的电极焊盘部分30中使用具有正方柱形状的柱体结构。另选地，可以在电极焊盘部分30中使用任意形状的柱体结构。例如，可以使用具有圆形或者矩形横截面的柱体结构。可以在从电极焊盘部分30的柱体结构的上面看的平面上设置凹槽或沟槽以便柱体结构具有多个柱体。
图4A至4D示出具有分割凹槽的结构。图4A示出具有多个条纹状柱体的柱体结构51。图4B示出具有设置成格子形式的多个柱体的柱体结构52。图4C示出具有设置成放射状形式的多个柱体的柱体结构。图4D是图4A中示出的条纹状柱体结构51的剖面图。在衬底上并排设置三个柱体54、55和56并用层间绝缘膜7覆盖它们。通过层间绝缘膜7向柱体54、55和56的每一个提供金属层57。将金属层57连接到激光器部分20的接触层6，并在柱体结构51顶部上形成电极焊盘表面。在图4D中，仅在柱体结构51顶部上设置金属层57。另选地，可以将金属层57设置在柱体结构51的柱体54、55和56的侧壁上。
在电极焊盘部分30的柱体结构被分割成多个柱体的情况下，可以获得单独的被分割的柱体的AlAs氧化层的增加的总面积，即使当各个柱体的顶表面的总面积等于单柱体结构顶表面的面积。因为柱体结构外周长度由于柱体分割而增加。如果单独柱体的直径(宽度)比激光器部分20的小，可以完全氧化AlAs层58。这减小了电极焊盘部分30的复合电容并提高响应度。
布线接合所需的面积取决于布线的直径和连接于其上金属球的直径。因此，为了相对于布线接合所需的最小电极焊盘面积来增加寄生电容减少部分的面积，通过用具有由凹槽或沟槽被分割的多个柱体的柱体结构形成的电极焊盘30是有效的方法。可以仅在柱体顶部上设置金属电极。另选地，可以在柱体的凹槽和侧壁上另外设置金属电极，如图4D中所示。在发明者进行的拉伸试验中，在图4A中示出的条纹型的布置具有5-7g的强度，而图8A和8B中示出的常规装置具有2-7g的强度。图4A中示出的条纹型的步骤具有比图8A和8B中示出的布置较小的强度变化，并提供更可靠的接合强度。
将给出根据本实施例的表面发射半导体激光器的静电电容的详细描述。
如下表达产生于彼此平行的相对导电平板间的静电电容
C＝ε0εsA/L这里ε0是真空介电常数(8.854×10-12F/m)，εs是材料特定的相对介电常数，A是导电体(平板)的面积，而L是导电体之间的距离。
AlAs氧化物的成份基本上相当于Al2O3，且其相对介电常数估计大约为10。在本实施例中使用的用作层间绝缘膜的SiNx大约为6.5。当原始的AlAs层为40nm厚时，可以考虑AlAs氧化层从原始的AlAs层增加约10％而因此达到4.4×10-8m厚。SiNx层间绝缘膜为3×10-7m(＝0.3μm)厚。
现在，将给出具有相同层结构而具有不同面积的三种不同类型的详细描述。第一种类型仅具有对应于激光器部分的AlAs氧化物。第二种类型仅具有对应于电极焊盘部分的层间膜。第三种类型同时具有AlAs氧化物和层间膜。
分别具有相对简单的层结构的第一和第二种类型具有2.01×10-3F/m2和1.92×10-4F/m2的每单位面积上的静电电容。
接下来，计算由根据上述提及的本发明第一实施例的表面发射半导体激光器的激光器部分20和电极焊盘部分30产生的静电电容。图5A中示出第一类型的例子，其中激光器部分的顶部被详细说明。阴影线区域表示AlAs氧化物区，其具有大约5μm的内径和15μm的外径。把每单位面积的静电电容乘以面积所得的乘积大约等于1.26pF。
图5B示出第二种类型的例子，其中将描述常规电极焊盘部分的层间绝缘膜。层间绝缘膜具有100μm的边长和大约1.92pF的静电电容。
图5C示出第三种类型的例子，其中将详细描述根据本发明第一实施例的激光器的电极焊盘部分的层间绝缘膜和AlAs氧化物区。可以理解第三种类型，使得AlAs氧化物和层间绝缘膜被串联电连接。阴影线区域表示AlAs氧化物区。整个区域的外边长是100μm，而AlAs氧化物区具有10μm的宽度。图5C中示出的构造具有约为1.53pF的比常规的构造减小的静电电容。
对于具有每个宽度为20μm的多个条纹状柱体(图4A)的电极焊盘部分的柱体结构，可以获得大约为1.25pF的静电电容，其减小到图5B中示出的常规构造的35％。在这种情况下，可以假设仅在图4A中的各个柱体的顶表面上设置电极。
本发明并不受限于上述的第一实施例，而是包括各种各样的变化和修改，其中一些将在下面详细描述。
图6是将电极焊盘部分的柱体结构应用于突起电极的表面发射半导体激光器的剖面图。图6中示出的表面发射半导体激光器60包括激光器部分61与第一和第二电极部分62和63。激光器部分61和电极部分62分别具有通过凹槽彼此相互分离的第一和第二柱体结构，该柱体结构与图1A和1B中示出的本发明第一实施例的相应柱体结构相同。提供金属层64以便它接触激光器部分61的p型接触层并覆盖第二柱体结构。突起电极65被设置在金属层64上并覆盖电极部分62的第二柱体结构。
第二电极部分63具有突起电极66，该突起电极被形成在通过用于限定柱体结构的刻蚀而形成的柱体底部上。通过刻蚀而暴露的半导体层是n型半导体多层反射膜的一部分，在其上设置具有开口或小孔67的层间绝缘膜7。通过小孔67将金属层68淀积在半导体层的被暴露部分。在金属层68上形成突起电极66。突起电极66具有与突起电极65大约相同的高度。
第一和第二电极62和63具有基本上相同的高度，并且可以用作倒装片电极。这使得能够实现倒装片安装，其中电极端子被设置在半导体衬底的单个表面上。在这种情况下，可以在半导体衬底的背表面上形成激光发射小孔。优选地，p型半导体多层反射膜的周期的数目比n型半导体多层反射膜的大，且在半导体衬底中形成对应于激光发射小孔的凹槽。
图7是其中通过布线接合电极形成激光器的n型背侧电极的表面发射半导体激光器的剖面图。表面发射半导体激光器70包括激光器部分71，与第一和第二电极焊盘部分72和73。激光器部分71和第一电极72与图1A和1B中所示的本发明第一实施例的相应部分相同。
表面发射半导体激光器70包括用于形成第二电极焊盘部分73的第三柱体结构。第三柱体结构具有与第一电极焊盘72的第二柱体结构相同的基本结构。柱体结构被层间绝缘膜7覆盖，在其上设置由金属层75形成的电极焊盘74。将金属层75与通过限定柱体结构而暴露的n型半导体多层反射膜2的一部分连接。第三柱体结构包括AlAs氧化物区。第二电极焊盘部分73具有减少的静电电容和进行布线接合的电极表面的充足的粘附强度。图7中示出的激光器的电极端子被设置在半导体衬底的单个表面。可以将激光发射小孔设置在半导体衬底的背表面。
根据本发明的一个方面，将电极部分(电极焊盘部分)设计成具有其上设置有导电层的柱体结构。因此，能够减小耦合于电极部分的寄生电容并极大地提高激光器的高速调制性能。特别地，电极焊盘包括与激光器部分的电流限制层具有相同结构的半导体氧化物区。因此能够进一步减小寄生电容。
根据本发明的另一方面，激光器具有用于布线接合且经由绝缘膜设置在柱体结构顶表面上的导电层，和设置在柱体顶表面上的接合表面，该接合表面在形成柱体结构时不受刻蚀剂的侵蚀。因此能够在半导体表面和绝缘膜之间实现好的粘附性并阻止布线在接合的同时被除去并实现在激光器的均一性能和提高产量。
根据本发明的一个方面，表面发射半导体激光器包括衬底(1)；具有第一柱体结构的激光器部分(20)，该第一柱体结构被设置在衬底上并在其顶表面上具有接触区；具有设置在衬底上的第二柱体结构的电极部分(30)，电极部分包括与接触区电连接并从其中延伸的导电层(6)。电极部分具有在其上设置有导电层的柱体结构。因此可以减小由电极部分产生的寄生电容并提高高速调制性能。由于在柱体结构顶表面上形成电极表面，其中该柱体结构顶表面在形成柱体结构时不受刻蚀剂的侵蚀，因此电极表面具有可靠的强度。优选地，可以将电极表面作为接合片平面。
可以构造表面发射半导体激光器，使第一柱体结构包括设置在衬底上的第一和第二半导体反射模(2，5)，以及介于第一和第二半导体反射膜之间的有源区；并使第二柱体结构包括具有与第一和第二半导体反射膜及有源区同样的层结构的半导体层。可以用绝缘膜(7)覆盖第二柱体结构，在绝缘膜上设置位于第二柱体结构顶表面上的导电层。优选地，激光器部分包括电流限制层(4)，该电流限制层(4)是第一柱体结构中的被氧化的半导体层，以及电极部分包括在第二柱体结构中部分被氧化的半导体层(4a)。因此能够减小耦合于电极部分的寄生电容。第一半导体多层反射膜可以含有第一导电类型的AlGaAs层，而第二半导体多层反射膜可以含第二导电类型的AlGaAs层。优选地，第一和第二柱体结构彼此相互分离。换句话说，第一和第二柱体结构彼此相互独立。
根据本发明的另一方面，表面发射半导体激光器包括层叠的第一多层反射膜(5)、氧化控制层(4)、有源层(3)和第二多层反射膜(2)；激光器部分(20)，该激光器部分包括通过除去其周边至少从第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第一柱体结构，且其具有形成在第一多层反射膜顶表面上的第一导电类型接触区；和电极部分(30)，该电极部分包括通过除去其周边至少从第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第二柱体结构，且其具有连接到经由层间绝缘膜而形成在第一多层反射膜上的第一导电类型接触区的电极层。电极部分的第二柱体结构减小与其耦合的寄生电容并提高其强度。第二柱体结构可以具有多个柱体(51，52，53)。这种布置进一步减小在第二柱体结构中的寄生电容。虽然第二柱体结构包括多层反射膜和氧化控制层，当这些层并不起作用，只是把它们包括来用于实现与激光器部分的第一柱体结构相同的层结构。
根据本发明的又一方面，表面发射半导体激光器包括激光器部分(20)，设置在半导体衬底(1)上并具有通过选择性地氧化含铝半导体层的一部分而限定的电流限制层(4)；用于向激光器部分提供电流的电极部分(30)，该电极部分具有通过氧化含铝半导体层的另一部分而限定的氧化物区(4a)，电流限制部分与氧化物区分离。电极部分包括氧化物区并与电流限制部分分离，以便可以减小寄生电容并获得高速调制。优选地，电极部分包括设置在氧化物区上的绝缘层(7)和形成在绝缘层上的导电层(11)，导电层提供电极表面。电极部分可以通过凹槽与激光器部分隔开。优选地，导电层包括用于布线接合的电极焊盘(11)。
根据本发明的再一方面，表面发射半导体激光器包括层叠的第一多层反射膜(5)、氧化控制层(4)、有源层(3)和第二多层反射膜(2)；激光器部分(71)，该激光器部分包括通过除去其周边至少从第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第一柱体结构，且其具有形成在第一多层反射膜顶表面上的第一导电类型接触区；第一电极部分(72)，该第一电极部分包括通过除去其周边至少从第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第二柱体结构，且其具有经由绝缘膜设置在第一多层反射膜顶表面上且连接到第一导电类型接触区的电极层；形成在第二多层反射膜侧面的第二导电类型接触区(75)；以及第二电极部分(73)，该第二电极部分包括通过除去其周边至少从第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第三结构，且其具有经由绝缘膜形成在第一多层反射膜顶表面上并连接到第二导电类型接触区的电极层。上述布置减小了由第一和第二电极部分产生的寄生电容。由于将第一和第二电极部分设置在同一表面上，可以非常容易地形成这些部分。还能够在与在其上形成电极部分的面相反的衬底面上形成激光发射小孔。至少第一和第二电极部分中的一个可以具有多个柱体(51，52，53)以便将电极层分割成多个部分。
根据本发明的再一方面，制造表面发射半导体激光器的方法包括步骤在衬底(1)上形成多层结构(2，3，4，5)，多层结构包括含铝半导体层(4，4a)和第一和第二导电类型的半导体层(2，5)；通过刻蚀多层结构在衬底上形成第一和第二柱体结构(43，44)以便含铝半导体层的侧表面被暴露；从其侧表面氧化包含在第一和第二柱体结构中的含铝半导体层(4，4a)；在包括第一和第二柱体结构的衬底上形成绝缘膜(7)；从第一柱体结构(43)的顶表面上除去绝缘膜以便第一柱体结构中的第一导电类型的半导体层的一部分被暴露；并淀积从第一柱体结构中的第一导电类型的半导体层的暴露部分延伸至第二柱体结构的顶部的金属层(9，10，11)。这一方法进一步包括将布线(14)接合到第二柱体结构顶部的金属层上的步骤。另选地，方法可以包括在第二柱体结构的顶部的金属层上设置金属突起(62)。
虽然展示和详细描述了本发明的少数优选实施例，技术领域的技术人员应该理解，可以在本发明中进行改变而不脱离本发明的原理和精神，其范围在权利要求和它们的等同物中限定。
权利要求
1.一种表面发射半导体激光器，包括衬底；激光器部分，该激光器部分具有设置在衬底上的第一柱体结构，第一柱体结构在其顶表面上具有接触区；和具有设置在衬底上的第二柱体结构的电极部分；电极部分包括与接触区电连接并从其中延伸的导电层。
2.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中第一柱体结构包括设置在衬底上的第一和第二半导体反射膜，和介于第一和第二半导体反射膜之间的有源区；以及第二柱体结构包括具有与第一和第二半导体反射膜以及有源区相同的层结构的半导体层。
3.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中用绝缘膜覆盖第二柱体结构，在第二柱体结构顶表面上的该绝缘膜上设置所述导电层。
4.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中激光器部分包括作为在第一柱体结构中被氧化的半导体层的电流限制层；和电极部分包括在第二柱体结构中部分被氧化的半导体层。
5.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中第一和第二柱体结构具有台面形状。
6.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中第二柱体结构的半导体层提供与接合线或金属突起连接的电极表面。
7.一种表面发射半导体激光器，包括层叠的第一多层反射膜、氧化控制层、有源层和第二多层反射膜；激光器部分，该激光器部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第一柱体结构，且其具有在第一多层反射膜顶表面上形成的第一导电类型接触区；和电极部分，该电极部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第二柱体结构，且其具有连接到经由绝缘膜形成在第一多层反射膜上的第一导电类型接触区的电极层。
8.根据权利要求7所述的表面发射半导体激光器，其中第二柱体结构包括多个柱体。
9.一种表面发射半导体激光器，包括激光器部分，该激光器部分设置在半导体衬底上并具有通过选择性地氧化含铝半导体层的一部分而限定出的电流限制部分；和用于向激光器部分提供电流的电极部分，电极部分具有通过氧化含铝半导体层的另一部分而限定出的氧化物区，电流限制部分与氧化物区分离。
10.根据权利要求9所述的表面发射半导体激光器，其中电极部分包括在氧化物区上设置的绝缘层和形成在绝缘层上的导电层，导电层提供电极表面。
11.根据权利要求9所述的表面发射半导体激光器，其中电极部分经由凹槽与激光器部分隔开。
12.根据权利要求10所述的表面发射半导体激光器，其中导电层包括用于布线接合的电极焊盘。
13.一种表面发射半导体激光器，包括层叠的第一多层反射膜、氧化控制层、有源层和第二多层反射膜；激光器部分，该激光器部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第一柱体结构，且其具有在第一多层反射膜顶表面上形成的第一导电类型接触区；第一电极部分，该电极部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第二柱体结构，第一电极部分具有经由绝缘膜设置在第一多层反射膜顶表面上并连接到第一导电类型接触区的电极层；形成在第二多层反射膜侧面上的第二导电类型接触区；和第二电极部分，该电极部分包括通过除去其周边至少第一多层反射膜到氧化控制层的范围而形成的第三柱体结构，且其具有连接到经由绝缘膜形成在第一多层反射膜顶表面上的第二导电类型接触区的电极层。
14.根据权利要求13所述的表面发射半导体激光器，其中第一和第二柱体结构中的至少一个包括多个柱体以便将电极层分割成多个部分。
15.一种制造表面发射半导体激光器的方法，包括步骤在衬底上形成多层结构，多层结构包括含铝半导体层和第一和第二导电类型的半导体层；通过刻蚀多层结构在衬底上形成第一和第二柱体结构，使得含铝半导体层的侧表面被暴露；从其侧表面氧化包含在第一和第二柱体结构中的含铝半导体层；在包括第一和第二柱体结构的衬底上形成绝缘膜；从第一柱体结构的顶表面上除去绝缘膜，以便第一柱体结构中的第一导电类型的半导体层的一部分被暴露；淀积从第一柱体结构中的第一导电类型的半导体层的暴露部分延伸至第二柱体结构的顶部的金属层。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括将布线与第二柱体结构顶部上的金属层接合的步骤。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括在第二柱体结构顶部上的金属层上设置金属突起的步骤。
全文摘要
表面发射半导体激光器包括衬底；具有设置在衬底上并在其顶表面上具有接触区的第一柱体结构的激光器部分；以及具有设置在衬底上的第二柱体结构的电极部分。电极部分包括与接触区电连接并从其中延伸的导电层。
文档编号H01S5/183GK1453911SQ03119738
公开日2003年11月5日 申请日期2003年3月10日 优先权日2002年4月26日
发明者植木伸明, 乙间广己, 村上朱实, 坂本朗 申请人:富士施乐株式会社