专利名称：具有集成的光探测器的长波长垂直腔表面发射激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有集成的光探测器的长波长垂直腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)。
背景技术：
通常，VCSEL二极管与光探测器结合用于功率监控和基于功率监控的自动功率控制(APC)。例如，在美国专利第5,943,357号中，通过晶片熔合(wafer fusion)光探测器被附着到长波长VCSEL。
图1为熔合有光探测器的传统VCSEL的简化剖视图。参考图1，传统的VCSEL包括依序沉积在衬底(未示出)上的分布型布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)的上半导体层12、有源区11以及DBR的下半导体层13。有源区11为产生中心激光共振的腔。PIN光探测器20被熔合或粘接到具有这种结构的VCSEL的底部。
如上所述，光探测器，例如PIN光探测器被附着到长波长VCSEL(例如1300至1600nm的长波长)的底部并监控该VCSEL的功率输出。通常，该附着技术可以是晶片粘接、晶片熔合或者透明金属粘接。
由于工艺相关的问题，晶片熔合不适合大规模生产。而且，晶片熔合在光探测器和VCSEL之间的界面处造成电压降。结果，必须增加输入电压的量。
传统VCSEL的不利之处在于由于光探测器同时接收自发发射和VCSEL发射的光束，所以光探测器无法只精确地探测VCSEL的输出。
参考图2，由于自发发射产生的光以及由传统VCSEL的有源区发射的激光束均被引入到除有源区之外的区域中。由于VCSEL的结构与共振腔发光二极管(LED)大体相同，所以自发发射沿所有方向取向。
当VCSEL被设计成使得朝向VCSEL顶部的光束可以用作输出时，VCSEL的下半导体层的DBR具有比它的上半导体层的DBR的折射率更高的折射率。因此，朝向VCSEL底部的激光束的强度比朝向VCSEL顶部的光束的强度相对低。由于VCSEL通常发射直径大约为10μm的激光束，且自发发射沿所有方向取向，所以该激光束的强度高于在该激光束通过的光探测器的特定区域处(即，直接位于VCSEL中心下方的直径大约为10μm的区域处)自发发射的强度。但是，被光探测器的整个区域接收到的自发发射的百分比很高。特别是，在图1和2所示的VCSEL中，这种特征出现在底表面，光探测器20的具有大约200～300μm宽度的光接收表面被粘接到该底表面以便接收来自VCSEL的光。
发明内容
本发明提供一种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其通过减小入射到光探测器上的自发发射的数量并增加入射到光探测器上的激光束的百分比可以更精确地探测激光束。
此外，该VCSEL可以通过减小该VCSEL和光探测器之间的界面处的电压降来降低输入电压的量。
该VCSEL包括激光发射结构，其包括发射激光束的有源区以及将有源区夹在其间的上和下半导体层；光探测器，其设置在该激光发射结构的底表面上；以及导电粘接层，其设置在激光发射结构和光探测器之间并包括来自有源区的激光束穿过其中的局部窗口。
通过参考附图详细地描述本发明的示例性的实施例，本发明的以上和其它特征及优点将变得更加清楚，其中图1为具有光探测器的传统垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的简化的垂直剖视图；图2示出了从传统VCSEL至光探测器的激光束和自发发射流；图3为根据本发明一示例性实施例的具有光探测器的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的简化的垂直剖视图；图4为图3中的VCSEL所采用的粘接层的俯视图；以及图5示出了从图3中的VCSEL至图3中的光探测器的激光束和自发发射流。
具体实施例方式
图3示意性地示出了垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其中一脊被形成在上半导体层上。该VCSEL为公知的激光发射结构，其包括发生激光发射的有源区和其间插入有有源区的上、下半导体层。因而，以下该激光发射结构的详细描述不限制本发明的技术范围。
如图3所示，激光发射结构100包括有源区110，其为产生激光共振的腔；以及分布型布拉格反射器(DBR)的上、下半导体层120和130，在它们之间插入有有源区110。下半导体层130包括一衬底(未示出)。有源区110包括有源层111和其间插入有有源层111的覆盖层112和113。有源层111包括量子阱层111a和其间插入有量子阱层111a的势垒层111b和111c。上半导体层120相当于上镜面叠层(mirror stack)并且包括脊120a。下半导体层130相当于下镜面叠层并且与光探测器200相对。上接触层120b覆盖不包括脊120a的顶表面但包括其顶表面的边缘的区域。
与传统技术一样，光探测器200附着到激光发射结构100的底表面上。根据本发明的特征，光探测器200和激光发射结构100通过粘接层300被粘接。粘接层300包括窗口310，其具有相当于激光束直径的宽度，并且具有预定的厚度。因此，空气隙存在于光探测器200和激光发射结构的窗口310之间，也即，存在于光探测器200和该VCSEL之间。该空气隙传输有源区110发射的并垂直入射到该空气隙上的激光束。此外，该空气隙反射自发发射的斜入射光，使得自发发射的光不能入射到光探测器200上。
粘接层300必须包括窗口310并优选采用金属粘接和共晶粘接。或者，粘接层300可以采用常规粘接。尽管出于简便的考虑光探测器200的示出极为简化，但它的结构是公知的并且不限制本发明的技术范围。
如图4所示，粘接层300具有在粘接层300中心的圆形窗口310，激光发射结构100发射的激光束从其中通过。依据设计条件，窗口310的尺寸和形状可以变化。
如上所述，根据本发明的激光发射结构(即VCSEL)通过采用适于大规模生产的金属粘接的粘接层被粘接到光探测器(例如PIN光探测器)。特别是，金属粘接大大降低了VCSEL和光探测器之间的界面处的电压降。该粘接层包括用于只传输用来监控VCSEL功率输出的激光束而屏蔽掉自发发射的光的窗口。因此，如图5所示，由于窗口310设置在VCSEL发射的激光束主要传输的路径上，更具体地，设置在激光束沿VCSEL的垂直方向传输的轴线上，所以只有穿过窗口310的光入射到光探测器200上。即使一些自发发射的光垂直地穿过粘接层300的窗口310，但大多数被除了窗口310之外的粘接层300的区域阻挡。实际上，入射到光探测器200上的自发发射的光的百分比与激光束的百分比相比非常小，因此，可以更精确地监控激光束。
优选地，该窗口的直径在1至100μm范围内。在粘接VCSEL和光探测器的粘接层中，空气隙形成在VCSEL和光探测器之间的窗口内。该空气隙基于半导体层和空气层的折射率之间的大的差异而用作滤光器。因此，该窗口反射以一角度入射的自发发射的光，由此降低入射到该光探测器上的自发发射的光量。
金属粘接特别是共晶粘接可以是晶片级(wafer-level)粘接，例如非隔离(non-isolated)的VCSEL晶片与非隔离的光探测器晶片之间的粘接，或者是芯片级(chip-level)粘接，例如隔离的VCSEL芯片和隔离的光探测器芯片之间的粘接。
采用金属粘接或共晶粘接的粘接层可以用作VCSEL的下电极(例如n型电极)或者光探测器一侧的电极。
本发明涉及通过采用上述技术粘接VCSEL和光电二极管(即，光探测器)而制造的装置。使用这些粘接技术而不受具体的VCSEL的结构或光探测器类型的限制。
例如，这些粘接技术被应用于以下一种结构，其中通过在衬底上依序堆叠DBR的下半导体层、具有有源层的共振区域(即，有源区)和DBR的上半导体层而制作出的VCSEL通过在衬底的底表面上形成带有窗口的金属粘接层被粘接到用于监控VCSEL发射的激光束的强度的光电二极管上。优选地，该窗口位于VCSEL的激光束传输的轴线上。
支撑VCSEL的光探测器用作支撑整个结构的辅助支架(submount)。在该VCSEL中，衬底由砷化镓(GaAs)形成，而有源层由砷化镓铟(InGaAs)量子阱、氮砷化镓铟(InGaAsN)量子阱和In(Ga)(N)As量子点中的一种形成。
即使粘接层用作常规粘接而非共晶粘接层，但是粘接层可以产生上述光学效应，只要它包括这种窗口。
如果该粘接层为共晶粘接层，它可以减小VCSEL和光探测器之间的界面处的电压降，有助于大规模生产。
如上所述，本发明的优点在于粘接层不仅用作粘接VCSEL和光探测器的装置而且用作阻挡不必要光的装置。而且，如果使用共晶粘接层作为所述粘接层，具有如上所述光学特性的VCSEL可以被大规模制造。
本发明的VCSEL-光探测器结构可应用于各种领域，例如使用激光束的光学记录/再现装置、光学扫描仪等。
虽然已经参考本发明的示例性实施例具体展示和描述了本发明，但本领域普通技术人员可以理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节上的变化。
权利要求
1.一种垂直腔表面发射激光器，包括一激光发射结构，其包括发射激光束的有源区及其间插入有该有源区的上半导体层和下半导体层；一光探测器，其设置在该激光发射结构的底表面上；以及一导电粘接层，其设置在该激光发射结构和该光探测器之间并且包括一来自该有源区的激光束穿过其中的局部窗口。
2.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中该导电粘接层为共晶粘接层。
3.如权利要求1或2所述的垂直腔表面发射激光器，其中一空气隙存在于该激光发射结构和该光探测器之间的所述窗口内。
4.如权利要求1或2所述的垂直腔表面发射激光器，其中所述窗口位于该激光发射结构产生的激光束传输的轴线上。
5.如权利要求3所述的垂直腔表面发射激光器，其中所述窗口形成于该激光发射结构产生的激光束传输的轴线上。
6.如权利要求1或2所述的垂直腔表面发射激光器，其中该光探测器用作支撑该激光发射结构的辅助支架。
7.如权利要求3所述的垂直腔表面发射激光器，其中该光探测器用作支撑该激光发射结构的辅助支架。
8.如权利要求4所述的垂直腔表面发射激光器，其中该光探测器用作支撑该激光发射结构的辅助支架。
9.如权利要求5所述的垂直腔表面发射激光器，其中该光探测器用作支撑该激光发射结构的辅助支架。
10.如权利要求1所述的垂直腔表面发射激光器，其中该下半导体层包括一衬底。
11.如权利要求10所述的垂直腔表面发射激光器，其中该衬底由砷化镓(GaAs)制成，而该有源层由从砷化镓铟(InGaAs)量子阱、InGaAlN量子阱和In(Ga)(N)As量子点组成的组中选取的一种制成。
12.如权利要求10所述的垂直腔表面发射激光器，其中该衬底由磷化铟(InP)制成，而该有源层由从InGaAsP量子阱、砷化铝镓铟(InGaAlAs)量子阱、In(Ga)(N)As量子点和锑砷化镓铝(AlGaAsSb)量子阱组成的组中选取的一种制成。
全文摘要
本发明提供一种集成有光探测器的垂直腔表面发射激光器。该光探测器通过粘接层被附着到VCSEL的底表面，其包括具有预定直径的窗口。该粘接层为共晶粘接层。一空气隙存在于该窗口内并且主要传输激光束。大多数以一角度入射的自发发射的光被除了该窗口的该粘接层的区域所阻挡，而且由于半导体层和空气的折射率之间的大的差异，甚至某些朝向该窗口的自发发射的光无法容易地穿过该窗口。因此，该共晶粘接层显著降低了该VCSEL和该光探测器之间的界面处的电压降，由此有助于大规模生产。
文档编号H01S5/183GK1585216SQ20041004763
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月26日 优先权日2003年8月19日
发明者金泽 申请人:三星电子株式会社