专利名称：垂直腔表面发射激光器件及采用这种器件的光拾取装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及垂直腔表面发射激光(VCSEL)器件和采用这种器件的光拾取装置，更具体地是涉及其中的光源和光电探测器是集成在一个半导体衬底上的VCSEL器件及采用这种器件的光拾取装置。
与边缘发射(edge emitting)激光的工作方式不同，VCSEL是发射垂直于半导体堆积层的上表面的光。因为VCSEL发射的是高斯光束，即几乎是圆形的光束，不需要从光学上校正所发射的光束的形状，此外，VCSEL可以做得小到能使这种器件的二维阵列可以集成在半导体衬底上，从而可以广泛应用于计算机工业，音/像设备，激光打印机和扫描仪，医疗设备及通信领域。
可是，这种VCSEL垂直发射光发射所要求的固有结构——其中有一个发射表面是与衬底结合在一起——妨碍了控制光发射的监控光电探测器的安装。这里，监控光电探测器可以用环绕光源周边安装的环形光电探测器充当，它在光源被驱动时接收横向发射的自发射光，也可以用安装在光源自身顶部的平面光电探测器来充当监控光电探测器。
如
图1所示，在美国专利5,285,466中公开的一个传统的带有监控光电探测器的VCSEL包括一个半导体衬底10，一个集成在衬底10上的正向偏置时发光的光源12，和一个接收从光源12的侧面横向发射自发射光的环形监控光电探测器14。这里，这个光电探测器——它可以反向偏置或不加电压——接收来自光源的自发射光并且把接收到的光变成电信号，然后这个电信号被反馈到光源的一个电极，用来控制发光量。但是，这样横向发射的自发射光不与垂直发射的光成比例，因而精确控制光源是困难的，并且其光强相对来说较低，不利于正确探测。
因此，如图2，另一种集成有监控光电探测器的传统型VCSEL被提了出来，其中光源22是形成在半导体衬底20之上，并且监控光电探测器24是直接形成在光源22的顶部。这种情况下，光电探测器24接收从光源发出的光的一部分，用于探测并转换成一个监控信号，并且允许其余的光通过。尽管所接收的光对完成监控功能来说是足够的，但通过监控光电探测器24发射出去的可用光部分将有很大减少。
为了解决上述问题，本发明的第一个目的是提供一个具有把光源和光电探测器集成在一起的紧凑结构的VCSEL器件，它提高了发射光的使用效率。
本发明的第二个目的是提供一个采用上述VCSEL器件的光拾取装置，在这种装置中，光源、监控光电探测器和主光电探测器是集成在一起的。
为了实现第一个目的，这里提供了一个垂直腔表面发射激光器，它包括一个半导体衬底；一个具有形成在半导体衬底上的用于接收入射光的本征缓冲层和形成在本征缓冲层上的第一电极层的光电探测器；和一个光源，它具有一个形成在第一电极层上的用于反射大部分入射光并传输剩余部分光的第一分布布喇格反射(DBR)堆，在第一DBR堆上形成有一个用于产生光发射的激发层，在激发层上形成有用于反射大部分入射光并且传输剩余部分光的第二DBR堆，并且在第二DBR堆上形成有第二电极层，这个电极层上有一个腔体，通过它把穿过第二DBR堆的光发射出去，其中第一电极层上有一块外露表面，这个表面上没有形成光源而是有一个联接第一电极层与外部电源的引线。
为了实现第二目的，所提供的光拾取装置包括一个VCSEL器件，它含有一个半导体衬底，一个具有依次叠加在半导体衬底上的本征缓冲层和第一电极层的第一光电探测器，及一个光源，它具有被依次叠加在第一电极层上的一个第一DBR堆，一个激发层和一个带有腔体的第二DBR堆，其中第一电极层有一块外露表面，它上面没有形成光源而是形成有联接第一电极层和外部电源的引线；一个位于光源和光记录介质之间的物镜，用于聚焦从光源发出的光以便在光记录介质上形成一个光点；一个位于物镜和光源之间的光路变换器件，用于根据来自光源的入射光光路改变来自物镜的入射光光路；和一个用于探测经过光路变换器件后的光束的第二光电探测器。
上述本发明的目的和优点通过以附图作参考对所最佳的实施例进行详细的描述会变得更清楚，其中图1表示一例传统VCSEL的概要透视图；图2是另一例传统VCSEL的概要透视图；图3A和3B分别是本发明的第一实施例的VCSEL器件的截面图和平面图；图4A和4B分别是本发明的第二实施例的VCSEL器件的截面图和平面图5A和5B分别是本发明的第三实施例的VCSEL器件的截面图和平面图；图6A和6B分别是本发明的第四实施例的VCSEL器件的截面图和平面图；图7是采用依据本发明的第一实施例的VCSEL器件的光拾取装置的截面图；图8是采用本发明的第二实施例的VCSEL器件的光拾取装置的截面图；图9是采用本发明的第三实施例的VCSEL器件的光拾取装置的截面图；图10是采用本发明的第四实施例的VCSEL器件的光拾取装置的截面图；如图3A和3B所示，本发明的第一最佳实施例的垂直腔表面发射激光(VCSEL)器件包括半导体衬底30，叠加在半导体衬底之上的光电探测器40，和光源50。
半导体衬底30是电气联接到外部电源上并且掺有像砷化镓(GaAs)这样含有n或p型杂质的半导体材料。这里也可以用本征半导体材料代而用之。
光电探测器40是由叠加在半导体衬底30之上的用本征半导体材料制成的缓冲层41和含有n型或p型杂质的第一电极层43构成的。这里通过取加到第一电极层43上的电压作参考电位给形成在缓冲层41两侧的半导体衬底30和第一电极层43加一个反向偏置电压使光电探测器40工作。于是从光源50的底部发出的光被反向偏置光电探测器接收到并变换成电信号。这里好处是光电探测器40与VCSEL本身分享相同的层体。另一方面，光电探测器可以是一个典型的光接收器件。与上述的反向偏置不同，光电探测器40可以在不加电压的情况下工作，在这种情况下光探测效率会有所下降。同样，根据这里的配置，光电探测器40也能充当监控光电探测器和主光电探测器，这将在后面描述。
光源50是由VCSEL构成的，使用第一电极层43作为低电位电极层。光源50包括产生激光束的激发层53、分别形成在激发层两侧的第一和第二DBR堆51和55、及形成在第二DBR堆55之上的第二电极层57。
第一DBR堆51位于第一电极层43之上，它是掺杂了与第一电极层43所掺杂的同一类型的杂质的半导体。例如，第一DBR堆51是通过交替堆积掺有杂质的AlxGa1-xAs半导体化合物和GaAs化合物构成的。第一DBR堆51以大约99.6％的高反射率部分透过由激发层53产生的光。
第二DBR堆55是一种掺有与第一DBR堆51不同的杂质的半导体，它是通过交替堆积AlxGa1-xAs和GaAs化合物形成的，它也有大约99.6％的反射率，因此部分透过由激发层53产生的光。
第二电极层57有一个腔体58，穿过第二DBR堆55的光通过它被发射出去。一个来自外部电源的，相对第一电极层43是正的电压通过联接引线61加到第二电极57上。
第一电极层43提供了一个预定的外露表面70，在它上面安装了一个用于联接外部电路(例如，电源)的联接引线63。为了形成外露表面70，叠加在光电探测器40之上的光源50被选择刻蚀到一直穿透第一DBR堆51。结果是，外露表面形成在第一电极43上面，所以可以安装联接引线63。但是，这里虽然把光源50严格刻蚀到第一电极层43和第一DBR堆51之间的边界处实际上是不可能的，但这种缺陷并不影响与外部电源的联接。在上面接上电源，光源50就垂直发射预定波长的光。尽管也有横向发射的光，但本发明中并不使用这些光。
光电探测器40接收从光源50的底部发出的、穿过第一DBR堆51的光，用于监控光源50。因为从上表面发出的光量与从底部发射的由光电探测器40探测的光量成比例，所以通过腔体58发射出的光量就能估算出。于是，由探测到的光量得到的信号可以用于控制所加的电流强度，从而控制从腔体58发出的光量。
如上所述，光电探测器和光源是以集成方式叠加在半导体衬底上，所以这个结构可以做得很小并且输出的光量可以精确控制。
本发明的第二个最佳实施例的VCSEL器件也包括一个光电探测器40和一个光源50，它们被叠加在半导体衬底30之上。下面将参考图4A和4B对本实施例加以描述。这里半导体衬底30、光电探测器40和光源50的制造材料及分层结构都是与图3A和3B所示的第一最佳实施例相同的。
可是，与第一方案相对照，光电探测器40的外露表面80的面积要比接触光源50的接触面积宽。与第一实施例一样，一个用于与外部电源相联的联接引线63被形成在外露表面80之上。还有，构造了一个用于将从腔体58射出并从光盘(未画出)的记录表面反射的光定向到外露表面80的光学系统(未画出)，并且有一个用于错误信号探测的主探测器49——它是光电探测器40的一部分——位于外露表面80的下面。
主光电探测器49与是光电探测器40的另一部分并且位于光源50下面的监控光电探测器45集成在一起。也就是，监控光电探测器45和主光电探测器49共用第一电极层43和缓冲层41。此外，用于以电气方式阻止从分别由光电探测器45和49接收到的光信号转换来的电信号的干扰的隔墙82被形成在缓冲层41中。构成监控光电探测器45的本征缓冲层和构成主光电探测器49的本征缓冲层由隔墙82分隔出。
隔墙82是在缓冲层41在半导体衬底30上形成后通过刻蚀或离子注入工艺形成的。然后，如上面描述的一样，第一电极层43和光源50被形成在缓冲层41上。
监控光电探测器45探测从光源50的底表面发射出的光。相反地，主光电探测器49探测从光源50的顶表面射出、然后从光盘(未画出)反射回的光。同样，主光电探测器49被分成至少两部分用于依据每部分接收的光信号量大小的差异来探测误差信号，即聚焦和跟踪(tracking)误差信号。每一部分的边界区域84也可以通过像隔墙82那样的刻蚀或离子注入工艺来形成。
于是，通过把光源50、监控光源探测器45和主探测器49集成在一起可以以一个紧凑的结构制成第二实施例的VCSEL器件。
本发明的第三最佳实施例的VCSEL器件将用图5A和5B作参考进行描述。
如图5A和5B所示，VCSEL包括半导体衬底30，光电探测器40和光源50，其中光电探测器40和光源50是依次叠加在半导体衬底30上。
这里的半导体衬底30、光电探测器40和光源50的制造材料及分层结构都与上述的第一和第二实施例相同。尤其是，这个方案的结构类似于第二实施例的结构。
同时，与第二实施例相比，一个预定宽度的第二外露表面95被以与第一外露表面90相同的方式、与第一外露表面相对着形成在第一电极层43上。同样，联接引线63被安装在第二外露表面95上。在这个最佳实施例中，监控光电探测器46、主光电探测器49，隔墙82和边界区域84的构造及工作方式都是与上述的第二最佳实施例相同的。
如上所述，通过离开形成在主光电探测器49上的第一外露表面90一段距离来安装联接引线63，联接引线63对主光电探测器49的电子干扰可以消除。
依据本发明的第四最佳实施例的VCSEL器件将用图6A和6B作参考加以描述。
像第一至第三实施例中一样，VCSEL器件包括半导体衬底30，光电探测器40和光源50，其中半导体衬底30、光电探测器40和光源50的构成材料和分层结构都与上述实施例相同。
这里，光电探测器40被分成位于光源50下面的监控光电探测器47和分别位于第一和第二外露表面90a和90b之下的主光电探测器49a和49b，第一和第二外露表面90a和90b是形成在左右两侧，并且宽于第一电极层43和光源50之间的接触面积。
第一和第二外露表面90a和90b是通过把光源50叠加在光电探测器40之上后再对其两侧进行刻蚀形成的。
主光电探测器包括用于探测来自通过第一和第二外露表面90a和90b接收的光的误差信号的第一和第二主光电探测器49a和49b。这里正如所需要的，主光电探测器是指上述两者。
还有，为了把位于光源50下面的监控光电探测器47及第一和第二光电测器49a和49b与外部电源相联接，在光源的前面或后面形成了一个第三外露表面95，并且在第三外露表面上形成了一个用于联接外部电源的联接引线63，如图6B所示。第三外露表面95可以通过在一个多边形，如方形或圆形中刻蚀光源50来形成。
在这个最佳的实施例中，没有描述部分的构造及工作方式与第一至第三最佳实施例中的相同。
采用依据本发明的VCSEL器件的光拾取装置的第一最佳实施例将以图7作参考进行描述。
如图7所示，用于在光记录介质120上记录/重现信息的光拾取装置包括一个位于光源50和光记录介质120之间的光路上的衍射器件100，一个物镜110，一个用于探测来自从光记录介质120反射回的光的误差和信息信号的主光电探测器130，和一个基底150。
光源50是与以图3A和3B作参考所描述的监控光电探测器40集成在一起的VCSEL。
衍射器件100最好是一个全息图元件，它有一个图案能直透从光源50端入射的光并使从物镜110端入射的光射向主光电探测器130。
物镜110将从光源50发出的光聚焦在光记录介质120上形成一个光点并且透射从光记录介质120反射回的光。
其上形成有光源50的基底150上，装有用于探测经光记录介质120反射并经全息图元件100衍射的光的主光电探测器130。主光电探测器130被分成至少两部分，它探测来自由每一部分接收的光信号的聚焦和跟踪误差信号。当然，根据需要光电接收器130可以是多个，其位置可以是基底150上光电接收器130能接收到由全息图元件100衍射的光的任何地方。
还有，与监控光电探测器和主光电探测器130集成在一起的光源50被一个带有可以是由全息图元件100构成的透射窗的壳体140封装起来。这里，全息图元件100可以安装在一个单独的地方，其中在光源50和光记录介质120之间还要有一个光学系统，例如一个光栅(未画出)。
依据本发明，采用VCSEL器件的光拾取装置的第二最佳实施例将用图8作参考进行描述。
如图8所示，光拾取装置包括一个其光源50和光电探测器是集成在一起的VCSEL器件，一个放在VCSEL和光记录介质120之间的光路上的衍射器件100，和一个物镜110。
光源50作为与光电探测器集成的VCSEL是与监控光电探测器45和主光电探测器49集成在一起的，正像参考图4A和4B描述的那样。
像第一实施例中一样，与监控光电探测器45和主光电探测器49集成在一起的光源50被用一个带有一个透射窗的壳体140封装起来，其中透射腔最好是用全息图元件100构成的。
本最佳实施例的其余部分的构造和工作方式与第一最佳实施例中的相同，其描述将省略。
依据本发明，采用VCSEL器件的光拾取装置的第三最佳实施例将参考图9进行描述。
如图9所示，光拾取装置包括一个其光源50和光电探测器是集成在一起的VCSEL器件，一个位于VCSEL器件和光记录介质120之间的光路上的衍射器件100，和一个物镜110。
光源50和光电探测器的构造是与和监控光电探测器46及主光电探测器49集成在一起的VCSEL器件中的相同，它在前面已用图5A和5B作参考描述过。
在本发明中，其余部分与参考图7和8所描述的光学系统中的相同，因此其详细描述将省略。
依据本发明，采用VCSEL器件的光拾取装置的第四最佳实施例将参考图10进行描述。
如图10所示，光拾取装置包括，一个其光源50和光电探测器是集成在一起的VCSEL器件，一个位于VCSEL和光记录介质120之间的光路上的衍射器件100，和一个物镜110。
光源50和光电探测器的结构与把监控光电探测器47和主光电探测器49a和49b集成在一起的、以图6A和6B作参考描述过的VCSEL器件中的相同。
衍射器件100最好是用一个全息图元件构成，它有一个单独的图案使由光记录介质120反射的光射向至少是被分成两部分的主光电探测器49a和49b。
在本最佳实施例中，其余部分与参考图7和8描述的光学系统中的相同，因此其详细描述这里省略。
因此，在依据本发明的VCSEL器件和采用这种器件的光拾取装置中，从光源发出的光量没有减少并且能被有效控制，其结构也能简化。
权利要求
1.一个垂直腔表面发射激光(VCSEL)器件包括一个半导体衬底；一个具有形成在所说半导体衬底上的用于接收入射光的本征缓冲层和形成在所说的本征缓冲层上的第一电极层的光电探测器；和一个光源，它具有一个形成在所说的第一电极层上用于反射大部分入射光并且透射其余部分入射光的第一分布布喇格反射(DBR)堆、一个形成在所说的第一DBR堆上用于产生光的激发层、一个形成在所说的激发层上用于反射大部分入射光并且透射其余部分光的第二分布布喇格反射(DBR)堆，和一个形成在所说的第二DBR堆上带有一个通过它穿过第二DBR堆的光可以被发射出去的腔体的第二电极层，其特征在于，所说的第一电极层具有一个在其上面没有形成光源的外露表面，并且一个用于把所说的第一电极层和外部电源联接起来的引线被形成在上述外露表面上。
2.权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于所说的外露表面是形成在光源的一侧。
3.权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于所说的外露表面是形成在光源的两侧。
4.权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于所说的外露表面是围绕着光源形成的。
5.权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于所说的光电探测器是探测自光源向下发射的光以便控制从所说的光源的上表面发射的光量。
6.权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于所说的光电探测器包括一个位于所说的光源的下面的监控光电探测器，用于探测向下发射的光、和一个位于外露表面下面的主光电探测器，用于探测从光源的上表面发射的光。
7.权利要求6所述的VCSEL器件，其特征在于所说的电源引线是与所说的主光电探测器对应的外露表面分着的。
8.权利要求3所述的VCSEL器件，其特征在于所说的光电探测器包括一个位于所说的光源下面的监控光电探测器，用于探测向下发射的光、和一个位于所说的第一电极层下面的主光电探测器，用于探测从所说的光源的上表面发射的光。
9.权利要求8所述的VCSEL器件，其特征在于所说的电源引线是与对应所说的主光电探测器的外露表面分离着形成的。
10.一个光拾取装置包括一个VCSEL器件，它含有一个半导体衬底、一个具有依次叠加在所说的半导体衬底上的本征缓冲层和第一电极层的第一光电探测器、和一个具有依次叠加在第一电极层上的第一DBR堆、激发层和一个形成有一个腔体的第二DBR堆的光源，其特征在于，第一电极层具有一个其上面没有形成光源的外露表面，并且一个用于联接第一电极层与外部电源的引线是形成在所说的外露表面上；一个置于所说的光源和光记录介质之间的物镜，用于聚焦从光源发出的光在光记录介质上形成一个光点；一个位于光源和物镜之间的光路变换器件，用于根据从光源入射的光束的光路改变从物镜入射的光束的光路；和一个用于探测通过所说的光路变换器件的光的第二光电探测器。
11.权利要求10所述的光拾取装置，其特征在于所说的光路变换器件是一个全息图元件。
12.权利要求10所述的光拾取装置，其特征在于所说的外露表面是形成在光源的一侧。
13.权利要求10所述的光拾取装置，其特征在于所说的外露表面是形成在光源的两侧。
14.权利要求10所述的光拾取装置，其特征在于所说的外露表面是形成在光源的周围。
15.权利要求10所述的光拾取装置，其特征在于所说的第一光电探测器探测光源向下发射的光，以便控制从光源的上表面发出的光量，并且所说的第二光电探测器是位于第一电极层的外露表面的下面，靠近第一光电探测器。
16.权利要求13所述的光拾取装置，其特征在于所说的第一光电探测器探测光源向下发射的光，以便控制从光源的上表面发射的光量，并且所说的第二光电探测器位于第一电极层的外露表面的下面，靠近第一光电探测器。
17.权利要求10所述的光拾取装置，其特征在于所说的光源及第一和第二光电探测器是被一个带有透射窗的壳体封装起来的。
18.权利要求17所述的光拾取装置，其特征在于所说的壳体的透射窗是一个全息图元件。
全文摘要
提供了一个垂直腔表面发射激光(VCSEL)器件和采用这种器件的光拾取装置。VCSEL器件包括一个半导体衬底；一个光电探测器，它有一个本征缓冲层及第一电极层；和一个光源，它有一个第一分布布喇格反射(DBR)堆、及一个激发层、一个第二分布布喇格反射堆、及一个第二电极层；其中第一电极层上有一个其上设有光源形成的外露表面。光拾取装置包括上述光源和光电探测器，光路变换器件和一个物镜。
文档编号H01S5/00GK1140874SQ9610546
公开日1997年1月22日 申请日期1996年4月25日 优先权日1995年4月28日
发明者申铉国 申请人:三星电子株式会社