专利名称：具有改善的模式选择性的垂直腔表面发射激光器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及半导体激光二极管，更具体而言，涉及垂直腔表面发射激光器 (VCSEL)的改进。
背景技术：
对于高功率应用而言，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是有吸引力的器件。因为在 CW操作中VCSEL的输出功率和效率通常受到热效应的限制，所以对于高功率应用而言，优选的是发射波长在大约980nm左右的底部发射VCSEL。它们ρ侧向下安装以便使有源区靠近散热器并避免高的热阻。然而，底部发射VCSEL在VCSEL的ρ侧上需要相当数量的分布式布拉格反射器(DBR)以便实现适度的阈值电流并避免在不适当的面上的输出耦合损耗。 由于P-DBR的数量决定了热性能，所以用于高功率应用的底部发射VCSEL的设计通常需要在光学性能与热管理之间进行困难的折衷。
当前工艺水平的向底部(衬底)侧发射的垂直腔表面发射激光器大约需要在激光二极管P侧上的30对分布式布拉格反射器(DBR)。如果想要将这些器件用在高功率应用中，则它们典型地P侧向下安装并且P-DBR的数量限定了热阻。
在 M.R. Daniel 等人的出版物 “Hybrid dielectric/metal reflector for low threshold vertical-cavity surface emitting lasers，， (Electron. Lett. 1997 Vol. 33 No. 20，pp 1704 ff)中，公开了一种底部发射VCSEL，其包括具有金属性外涂层的电介质顶部镜以便降低镜厚度。然而，伴随着镜厚度降低而来的是，不仅带宽增大，如在以上提到的出版物中所公开的那样，而且放大了各种模式。对于束质量而言，这从另一方面来说也是有害的。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种既具有高的束质量或相应的低M2因子又具有降低的镜厚度的VCSEL，其改善了由于降低的厚度所致的散热以及制造成本。这一目的通过权利要求1的主题得以实现。在从属权利要求中限定了有利的实施例和改进。
所建议的是使用布拉格反射器结合金属反射器，所述金属反射器使从激光腔观看的布拉格反射器的远侧终止，其中金属反射器层定位在围绕光轴的中心处。这样，最低的光学模式、即TEMtltl模式的反射率非常高，因为这一模式的强度具有高斯分布，而更高的模式具有相对于腔的中心轴径向偏移的强度最大值。由此，对于更高的光学模式而言，反射率降低。
因此，提供了一种垂直腔表面发射激光二极管，包括衬底，以及设置在该衬底上的第一布拉格反射器叠层和第二布拉格反射器叠层，
所述第一和第二布拉格反射器叠层形成具有光轴的激光腔，在操作中激光束沿着该光轴发出。典型地，p-n转变或者一个或多个量子阱嵌入在两个布拉格反射器叠层之间以作为发光元件。金属性反射器层在光学上终止布拉格反射器叠层之一。所述金属性反射器层环绕光轴定位并且覆盖一定区域，该区域不大于在其中TEMcitl激光模式的强度超过该TEMcitl 激光模式的最大强度的三分之一、优选的超过该TEMtltl激光模式的最大强度的一半的区域。
用于高质量束的VCSEL常常包括限制层，该限制层限制了电流的流动并因而限制了横向方向上的产生激光的区域。这里，如果被金属性反射器层覆盖的区域不超过限制层的电流孔的区域，则与TEMotl模式的横向强度分布无关，能够实现更高光学模式的反射率的降低。因此，根据本发明的另一、替换性的或附加性的实施例，提供了一种垂直腔表面发射激光二极管，包括衬底以及设置在该衬底上的第一布拉格反射器叠层和第二布拉格反射器叠层，其共同形成了具有光轴的激光腔，在操作中激光束沿着该光轴发出。
根据本发明这一实施例的金属性反射器层使布拉格反射器叠层之一终止并且环绕光轴定位。另外，提供具有电流孔的电流限制层，该电流限制层横向地限制流过激光腔的电流，其中金属性反射器层覆盖其大小不超过被所述孔覆盖的区域的大小的区域。
为了提供用于TEMcitl模式的足够的反射率，进一步有利的是如果被金属性反射器层覆盖的区域至少是被孔覆盖的区域的1/10。根据TEMcitl模式的横向强度分布，优选的是金属性反射器层覆盖至少这样的区域，沿着该区域TEMtltl模式为其最大强度的至少3/4。
进一步优选的是如果布拉格反射器被金属反射器终止的话，将金属性反射器层沉积到绝缘层上。绝缘材料的目的在于阻碍反射器层的金属、比如特别是金扩散到半导体中并将绝缘体-金属界面的光学反射的相位调节到谐振器的驻波模式。在这方面，一种特别适合的绝缘体是氧化硅。可替换地，可以使用其他氧化物，比如，例如氧化铝。
为了增强模式选择性的效果，可以适当地构造金属性反射层和/或可选的绝缘层，使得反射率从光轴朝向金属性反射层的边缘降低。一种适合的构造尤其可以是覆盖度的变化，即，被层覆盖的表面区域与未被覆盖的区域的比率。因此，根据本发明的此改进，金属性反射层的覆盖度从光轴处的覆盖度沿着径向地向外的方向逐渐降低。
尤其适合用于金属性反射层的材料是金、银、铜及其合金。上述所列的金属具有在 500nm与IOOOnm之间的典型VCSEL激光波长处小于0. 5的折射率实部。在激光波长处的金属的低折射率实部一般是优选的，从而提供高的折射率差异以及由此提供在与相邻层的界面处的高反射率。
根据本发明的优选实施例，VCSEL是底部发射VCSEL，并且金属性反射器层设置在沉积于衬底上的最顶部布拉格反射器叠层(即从衬底观看在有源层相对侧上的布拉格反射器叠层)上。特别是，如果金属性反射器层沉积到绝缘层上，则通过单独的金属层来实现 VCSEL顶部上的电接触。尤其是，在激光二极管顶部上的电接触层可以围绕在金属性反射器层周边。由此，所述电接触形成了围绕金属性反射器层的环接触。有利的是，环接触和金属性反射器层可以通过间隙被至少部分地分开。这样，最主要来自更高光学模式的来自腔内的光可以穿过该间隙。
然而，还可能的是使用金属性反射器层作为电接触之一的至少一部分。例如，如果省略布拉格反射器与金属性反射器层之间的绝缘层，则这是有可能的。
然而，如果使用围绕金属性反射器层的环接触，则载流子不再注入台面的中心而是轻微地偏离。这有可能是有害的，特别是对于具有大有源区的VCSEL而言，其中横向电导率成为一个问题。因此，根据本发明的改进，建议制造电接触层，该电接触层接触被金属性反射器层终止的布拉格反射器叠层，其中该电接触层包括与金属性反射器层相交的部分。特别是，相交部分可以位于光轴处或者在光轴附近。例如，P接触不仅可以包括环而且可以具有某些薄的金属条带，所述金属条带通过台面的内部部分以改善载流子注入。
根据另一实施例，VCSEL是顶部发射激光二极管。在这种情况下，金属性反射器层可以埋置在或嵌入在第一和第二布拉格反射器叠层之下。
所定位的金属性反射器层既提供了光学模式选择性又提供了增强的反射率。由于后一效应，被金属性反射器层终止的相应的布拉格反射器可以显著更薄，由此降低了制造成本。特别是，被金属性反射器层终止的布拉格反射器叠层可以包括15对或者甚至少于15 对的具有交替的较高和较低折射率的层。
图1示出了本发明的第一实施例的截面图。
图2示出了在径向方向上TEMcitl和TEMltl模式的强度分布。
图3示出了图1的实施例的变型，其具有电流限制层。
图4绘制了具有横向受限的金属性反射器层的顶部发射VCSEL。
图5示出了具有径向变化覆盖度的金属性反射器层的实施例。
图6绘制了包括与金属性反射器层相交的部分的电接触层的布置。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的VCSEL 1的第一实施例。VCSEL 1包括衬底2以及设置在其上的包括第一布拉格反射器叠层5的第一分布式布拉格反射器(DBR)、包括第二布拉格反射器叠层9的第二分布式布拉格反射器和位于第一和第二布拉格反射器叠层5、9之间的有源区7。布拉格反射器叠层5、9或者DBR相应地与有源区7—起形成激光腔。腔的光轴3由操作中所发射的激光束的中心所限定。
图1中所示的实施例是底部发射VCSEL，其中在腔内所产生的激光部分地透射通过布拉格反射器叠层5和衬底2。优选的衬底材料是砷化镓，GaAs。典型地，第一或底部布拉格反射器叠层5包括η型分布式布拉格反射器层，而第二或顶部布拉格反射器叠层7包括P型层。布拉格反射器叠层5、7每一个包括多对不同折射率的层。例如，在VCSEL中使用的典型的布拉格反射器叠层包括堆叠的多对GaAs和AKiaAs。
泵浦电流经由衬底2上的底部电极12以及布拉格反射器叠层9之上的另外的顶部电极11施加到VCSEL。顶部电极设置为环接触或环电极。在环接触11内部布置绝缘层 20。
在该绝缘层20上，沉积金属性反射器层15。绝缘层20抑制金属原子从金属性反射器层15扩散到布拉格反射器叠层9的半导体层中。
金属性反射器层15在光学上使第二布拉格反射器叠层9终止，因为穿过该布拉格反射器叠层9的光被层15反射回来。特别是，金属性反射器层15位于光轴3上，其中被层 15所覆盖的区域小于其中TEMtltl激光模式的强度超过其最大强度的三分之一、优选超过其最大强度的一半的区域。此外，环形间隙在金属性反射器层和环接触11之间延伸。
金属性反射器层对于激光具有高的反射率。与之形成对照的是，环电极由在与布拉格反射器叠层9的半导体层的界面处提供低的电损耗的材料制成。
与常规的设计相比，由金属性反射器层15所终止的ρ型布拉格反射器叠层9需要显著更少对的具有交替折射率的层以获得相当的反射率。随之而来的是，热阻也得到显著改善。通常，15对具有交替折射率的层(比如GaAs/AKiaAs层的对)是足够的。例如布拉格反射器叠层9可以包括10对GaAs/AWaAs层。与之形成对照的是，布拉格反射器叠层5包括20对或更多对(例如30对)的交替的GaAs/AWaAs层。
在图1的实施例中，在VCSEL 1的台面结构上布置散热器17。该散热器17既用于散热也用于电连接环电极11。
图2示出了在相对于光轴横向的径向方向上光学TEMcic^P TEMltl模式的强度分布的曲线图。TEMtltl模式具有高斯分布，其最大值在光轴处，而TEMltl模式具有另外的最大值。附图标记31和32分别表示在最大强度的三分之一处和最大强度的一半处TEMcitl模式的宽度。 如果金属性反射器层的直径被选择为至多TEMtltl模式的宽度31，则TEMltl模式的偏心强度峰的光(在任意选择的横坐标标度中，处于大约|r| =1.75)通过反射器层。此外，金属性反射器层15的边缘与曲线30的最小值近似重合。由此，被层15反射回来的TEMcitl强度的份额与TEMltl强度相比更大。这导致TEMltl模式的更强的减幅。
尽管从图2所示的强度分布中并不明显，但通过进一步降低金属性反射器层15的直径，仍然能够改善模式选择性。例如，其直径与TEMotl模式的FWHM (即，宽度32)匹配的金属性反射器层的边缘也近似地沿着TEMltl模式的强度最小值延伸。然而，直径降低至至多 TEM00模式的FWHM宽度的宽度对于具有在光轴处的最小值的其它模式(比如TEMtll模式)的反射率的降低具有强烈影响。
图3示出了具有所定位的金属性反射器层的VCSEL 1的另一实施例。VCSEL 1包括与腔的有源区7相邻的限制层8。限制层8包括被外部绝缘区82围绕的半导体孔81。由于这一构造，流过有源区7的电流被横向限制为靠近中心或光轴3。因此，孔81也横向地限制其中发射光子的区域。限制层8也可以例如通过沉积半导体层然后对区域82进行局部氧化来制造。
金属性反射器层15的横向尺寸小于孔的直径。因此，在这一实施例中，金属性反射器层15覆盖其大小小于被限制层8的孔81所占据的区域的区域。由于孔的大小决定了各模式的最小横向尺寸，所以这再次导致如相对于图2所阐述的模式选择性。典型地，小于孔81的金属性反射器层也将满足这样的条件，即，该层的横向尺寸小于TEMtltl模式在最大强度的1/3处的宽度。再一次地，金属性反射器层的更小的尺寸改善了模式选择性但是另一方面导致了反射率的总体降低。因此，一般来说优选的是通过金属性反射器层来覆盖孔区域的至少1/10。
图4绘制了具有横向受限的金属性反射器层的顶部发射VCSEL。在这一实施例中， 光通过环接触11的中心发射。在这种情况下，η型布拉格反射器叠层5被金属性反射器层 15在光学上终止。类似于图1和3的实施例，该布拉格反射器叠层5比另一叠层更薄，包括至多15对GaAs/AWaAs层。由于在这种情况下较低的布拉格反射器叠层被金属性反射器层15终止，所以该层埋置在布拉格反射器叠层5、9和有源区7之下。如果要避免到布拉格反射器叠层5中的扩散和/或相位匹配是有利的，则可以施加如图1和3的实施例中那样的氧化硅层。因此，在沉积布拉格反射器叠层5的各层之前沉积该氧化物层。此外，类似于图3的实施例，金属性反射器层15的直径小于孔81的直径。
如果使用圆形形状的金属性反射器层15，则沿着径向方向的反射率在层的边缘处以台阶状的方式下降。然而，也有可能构造该层从而使整体反射率在径向方向上逐渐下降。 这可以通过使金属性反射层的覆盖度从光轴处的覆盖度沿着径向地向外的方向逐渐降低来实现。在图5中示出了一个实例。该实例的金属性反射器层15是具有悬臂尖齿150的星星形状的。因此，环绕层15的中心或光轴3延伸的环形表面元件的覆盖度相应地从尖齿 150的基部朝向其尖端逐渐降低。
在如图3所示的实施例中，经由环接触11注入的电流既沿着孔81流动又朝向孔 81横向地流动。由于注入电流的横向分量，电流密度可以在横向方向上变化。特别是，在光轴3处的电流密度可以小于靠近孔81边缘的电流密度。这也可以导致更高光学模式的更强增益。为了避免这一效应，可以使用与由金属性反射器层15终止的布拉格反射器叠层接触的电接触层，该电接触层包括与金属性反射器层15相交的部分。在从沿着光轴的方向上的腔内部观察的图6的布置中示出了一个实例。如在图3中那样，电接触层成形为围绕所定位的金属性反射器层15的环接触。金属性反射器层15的边缘和环接触11的内部边缘通过间隙20分开。然而，环接触附加地包括跨过环的内圆对角地延伸的条110，由此与被金属性反射器层15覆盖的区域相交。适宜地，这些分支可以在图3的实施例中的绝缘层 13与布拉格反射器叠层9的最上层之间延伸。由此，在这种情况下，环接触11与金属性反射器层15没有电连接。然而，如果绝缘层能够被省略，则金属性反射器层也可以形成相应电接触的至少一部分。
尽管已经在附图中示出了并且在前面的说明中描述了本发明的优选实施例，但将理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是能够在不偏离如以下权利要求中所阐述的本发明的范围的情况下进行多种修改。
附图标记列表
1=VCSEL
2衬底
3光轴
5 第一布拉格反射器叠层
7有源区
8限制层
9第二布拉格反射器叠层9
11环接触
12底部电极
13绝缘层
15 金属性反射器层 17 散热器 20 环形间隙
29:TEMW模式的径向强度分布
30=TEMltl模式的径向强度分布
31在最大强度三分之一处的四的宽度
32在最大强度一半处的四的宽度81 限制层8的孔 82:限制层8的绝缘区 110 条 150 尖齿
权利要求
1.一种垂直腔表面发射激光二极管(1)，包括衬底(2)，以及设置在该衬底上的第一布拉格反射器叠层(5)，第二布拉格反射器叠层(9)，所述第一和第二布拉格反射器叠层(5，9)形成具有光轴(3)的激光腔，在操作中激光束沿着该光轴发出；使布拉格反射器叠层(5，9)之一终止的金属性反射器层(15)，所述金属性反射器层 (15)环绕所述光轴(15)定位并且覆盖一定区域，该区域不大于在其中TEMcitl激光模式的强度超过该TEMcitl激光模式的最大强度的三分之一的区域。
2.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，包括电流限制层(8)，该电流限制层(8)具有横向地限制流过激光腔的电流的电流孔(81)，其中所述金属性反射器层 (15)覆盖其大小不超过被所述孔(81)覆盖的区域的大小的区域。
3.根据权利要求2所述的垂直腔表面发射激光二极管，其特征在于，被所述金属性反射器层(15)覆盖的所述区域至少是被所述孔(81)覆盖的区域的1/10。
4.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其特征在于，所述金属性反射器层(15 )被沉积到绝缘层(13 )上。
5.根据之前的权利要求所述的垂直腔表面发射激光器，其中所述绝缘层(13)是氧化硅层。
6.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其特征在于，所述垂直腔表面发射激光二极管(1)是底部发射激光二极管，并且所述金属性反射器层(15)设置在沉积于所述衬底(2)上的最顶部布拉格反射器叠层(9)上。
7.根据之前的权利要求所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述金属性反射层 (15)周边被环接触(11)围绕。
8.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述金属性反射器层 (15)的折射率的实部低于0.5。
9.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述金属性反射层(15) 的材料选自金、银、铜及其合金所构成的组。
10.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述金属性反射层(15) 的覆盖度从光轴(3)处的覆盖度沿着径向地向外的方向逐渐降低。
11.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述金属性反射器层 (15)形成电接触之一的至少一部分。
12.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述垂直腔表面发射激光二极管是顶部发射激光二极管，并且所述金属性反射器层(15)埋置在所述第一和第二布拉格反射器叠层(5，9)之下。
13.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中被所述金属性反射器层 (15)终止的布拉格反射器叠层(5，9)包括至多15对具有交替的较高和较低折射率的层。
14.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，还包括电接触层，该电接触层接触被所述金属性反射器层终止的布拉格反射器叠层并且包括与所述金属性反射器层相交的部分。
全文摘要
本发明的一个目的是提供一种既具有高的束质量或相应的低M2因子又具有降低的镜厚度的VCSEL，其改善了由于降低的厚度所致的散热以及制造成本。所建议的是使用布拉格反射器结合金属反射器，所述金属反射器使从激光腔观看的布拉格反射器的远侧终止，其中金属反射器层定位在围绕光轴的中心处。
文档编号H01S5/183GK102187534SQ200980140700
公开日2011年9月14日 申请日期2009年10月7日 优先权日2008年10月14日
发明者P·H·格莱克, M·米勒 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司