专利名称：对垂直腔表面发射激光器的导电结构进行改进的装置和方法
技术领域：
本发明关于垂直腔表面发射激光器(“VCSEL”)。更具体地，本发明关于具有改进导电性的VCSELs及其制造和工作(operation)方法。
背景技术：
垂直腔表面发射激光器(“VCSEL”)是二维阵列应用，如光学扫描仪、显示器、计算机互连、信号处理和光学数据储存中的理想光源。VCSELs也被应用作为计算设备、激光打印机、消费电子系统、有源光学部件和通讯应用中的光源。与其它半导体激光技术如边射型激光器相比，VCSELs由于发射的光具有圆形消像散的光束，并且角发散性相对有限，因而成为日益首选的激光器。另一方面，来自边发射型激光器的激光束往往是非对称的。此外，VCSELs优于边发射型激光器，原因是VCSEL的光输出从结构的顶部以垂直于半导体基底即晶片的光束形式出现。这一构造有利于有成本效益的晶片规模的测试和激光阵列设备的生产，这样的激光阵列设备在通讯系统中成为日益普遍的设备形式。
当输出功率被限制到典型为小于1毫瓦(MW)时，传统的VCSELs典型地产生了高斯输出光强度分布。当在较高的功率水平下操作该类VCSEL时，设备表现出多模式工作，而光输出强度图形降为多模式的圆环形分布。通常用透镜来聚集VCSEL的输出，将光接入光纤或波导中，但是当VCSEL在多模式范围内工作时，这些透镜的效率受到了限制。
在当今许多通讯应用中，要求VCSELs在单模式下工作。单模式工作(single mode operation)中的光和电功率效率降低工作成本以及复杂化的热耗散。随着通讯系统的技术改进增加了对更高密度的集成VCSEL阵列的需要，热耗散变得日益重要。因此，VCSEL设计者们力争生产出这样的激光器，其在强调单模式工作的同时将较高的模式输出降为最低。
图1显示传统VCSEL的侧剖视图。传统的VCSEL结构10包括半导体基底30、设置于半导体基底30顶部的垂直激光器腔体40，以及两个金属接触件20、25。金属接触件20、25通常具有不透明的性质，它们将整个基底和垂直激光器腔体结构夹在中间，一个接触件位于垂直激光器腔体40的顶部，而另一个位于半导体基底30的下面。金属接触件25为环形的，从顶上观察时，类似于圆环或椭圆环。
垂直激光腔40进一步包括n-分布式布拉格反射体(DBR)区42、p-DBR区46、夹在此两DBR区42、46之间的激光激活区(active lasingsection)44，以及环绕p-DBR区46的中间部分47的非导电性注入材料48。非导电性注入材料48形成VCSEL结构10的导电性边界壁50。包括两个部分的圆筒限定了筒体区(barrel region)52。第一部分包括中间部分47。第二部分包括激光激活区44，其与中间部分47同轴排列，并具有与中间部分47基本相同的截面形状。此筒体区52的直径为直径60。
在工作中，光从激光激活区44发射出来。一部分光能首先穿过筒体区52，然后穿过由不透明的上部金属接触件25限定的开口/开孔65。根据需要限定筒体区的直径60，以使上部的金属接触件25和筒壁之间具有良好的导电性。由于VCSEL结构10的非导电性边界壁在金属接触件20和25之间并不传导电流，因而这是可靠的。对直径的限定通常通过形成金属接触件突出70而实现，该金属接触件突出70是位于VCSEL结构10的顶部的金属接触件25的延伸部分。结果是，VCSEL结构10顶部之上的金属接触件25悬突于筒体区。由金属接触件突出70限定的开口/开孔65设定了传统VCSEL结构10的开孔直径。因此，传统VCSEL结构10的设备开孔必定小于筒体区52的直径60。
金属接触件突出70阻止光从筒体区52发出，并因此限制了输出能量。金属接触件突出70也造成向筒体区52进行的电流传输低效。VCSEL结构10的电流将环绕(hug)激光器的壁流动，并在沿着VCSEL结构10的长度上导致促发单模式工作的激光活性(lasing activity)较小。
由上部的接触件突出70引起的对VCSEL结构的另一个挑战是反向散射，其增加了前述的金属接触件突出70的无效性。上部的金属接触件突出70阻挡一部分输出光，并将光反射回到激光器的筒体之中。这一反射或反向散射的光积极地妨碍了筒体区内输出的光，并产生了对导致不需要的多模式输出起到重要贡献的驻波图形。反向散射的影响导致多模式的环形输出强度图形，这种多模式的环形输出强度图形是标准VCSEL的特性。
一些VCSEL制造者们已经通过滤除或阻止较高模式工作而寻求降低多模式输出的方法。空间吸收滤波器和/或相移滤波器被整合到这类VCSEL中。此类VCSEL的一个例子在专利号为6144682的美国专利中有所描述。图2显示专利号为6144682的美国专利中所描述的VCSEL的侧剖视图。这一VCSEL显示了为减少从VCSEL的激光激活区144发射出的光的较高级横模发生模式反射而所作出的努力。通过采用位于p-DBR区146和上部的金属接触件125之间的较厚或较薄的空间吸收性和相移滤波器半导体层182、180而完成。VCSEL进一步利用半透明的导电性氧化铟锡层190帮助电流流过p-DBR区146而进入激光激活区144。然而，仍然要求上部的金属接触件125延伸进入VCSEL的筒体区，如区170所示，以提供从上部的金属接触件125流入筒体区的平滑电流。与图1类似的是，由上部的金属接触件125所限定的开口的直径165小于由非导电性注入材料148所限定的筒体区的直径160。因此，输出的光受到了阻挡，并发生了不希望的反向散射。尽管滤光结构能在一定程度上补偿不希望的多模式输出，图2所示的VCSEL不利于单模式工作。
发明内容
本发明的几个方面涉及对VCSEL的导电结构进行改进的装置和方法。将高掺杂的半导体材料层(layer of heavily doped semiconductormaterial)置于位于VCSEL结构顶部的分布式布拉格反射器(DBR)的顶面上。此材料提供了电流传导并使电流散布穿过并进入激光器筒体。与筒壁相比，在激光器筒体区中心处的电流增大，这有利于单模式光的产生。高掺杂的半导体层还消除了妨碍输出能量增长的导电性接触件突出。因为不需要导电性接触件突出，散射光不会被反射回激光器的筒体区内，使多模式光诱发效应最小化。这一特征导致发射效率的改进，以及激光器结构的直径更小，这样的结构有利于单模式光在校高的功率下工作。
图1显示第一种传统VCSEL的侧剖视图；图2显示第二种传统VCSEL的侧剖视图；图3图解说明根据本发明的实施例的VCSEL的侧剖视图。
具体实施例方式
本发明的实施方式涉及用于改进VCSEL中发射端的导电结构的装置和方法。在一个实施例中，在VCSEL激光器的筒体上再生长高掺杂的半导体层，以提供电流传导并使电流散布穿过并进入激光器筒体的开孔。由于高掺杂的半导体层，因此相对于筒壁，激光筒体中心处的电流增加。这样的电流分布增加了激活区(active region)中心处的光产生效率，其中激活区的中心处有利于产生单模式的光。高掺杂的半导体层也去除了对导电性接触件悬突于VCSEL筒体部分的需要，也因此最小化了光散射效应，如果筒体部分存在导电性接触件突出，就会出现这种散射效应。此外，本发明的实施方式使减小VCSEL的直径成为可能，这进一步有利于以较高的驱动电流和输出功率进行单模式工作。
图3图解说明根据本发明一个实施例的VCSEL结构200的侧剖视图。在该实施例中，VCSEL 200包括导电性下部接触件210、导电性上部接触件215、基底220、形成于基底220之上的多个半导体层，以及高掺杂的半导体层280。在一个实施例中，一个或多个半导体层构成了下部DBR 230，一个或多个半导体层构成了激活区240，以及一个或多个半导体层构成了上部DBR 250。非导电性离子注入区255进一步限定了上部DBR 250的导电性边界。
在一个实施例中，高掺杂的半导体层280为砷化镓(GaAs)再生长层。也可采用其它类型的材料，包括但不限于氮化铟镓(InGaN)、砷化铝镓(AlGaAs)，以及氧化铟锡(ITO)。图3中，高掺杂的半导体层280位于DBR 250和导电性上部接触件215之间。高掺杂的半导体层280使足够的电流散布通过和进入用于工作的整个激光器的开孔，并且不再需要会阻挡输出光的导电性接触件突出。
VCSEL结构200为单块(monolithic)激光器，其可通过例如本领域公知的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)工艺等技术进行制造。也可采用其它的沉积工艺如液相外延法(“LPE”)、分子束外延法(“MBE”)，或其它公知的晶体生长工艺。在具有n-型基底的此实施例中，VCSEL结构200包括由砷化镓构成的基底220，该基底厚约100微米，并掺杂有硅。在采用相对不常用的p-型基底时，用碳作为掺杂物。
下部DBR 230沉积于基底220上。DBRs的结构和实现方法是本领域公知的。在一个实施例中，下部的DBR 230包括多个成对且具有不同铝含量的AlGaAs层，从而形成具有高低交替的折射率的层。也可使用其它类型的材料并且可以采用其它的排列方式以形成下部DBR230。例如，已知由磷化铟(InP)和磷化铟镓砷(InGaAsP)构成的交替层是生产DBR的有效材料，该DBR在长波波长如1.3微米的光范围内有效。优选地，每一层厚度为四分之一波长，其中每一层处的工作波长是VCSEL200的发射光的波长。
在下部的DBR 230上沉积激活区240。在一个实施例中，激活区240包括铝浓度含量各不相同的数层AlGaAs，其中所包括的中心层(未示出)中不含铝。或者可采用本领域技术人员所公知的其它类型的材料，也可采用单层排列以形成激活区240。上部DBR 250沉积于激活区240之上。上部DBR 250包括顶面252、外壁254和底面256。在一个实施例中，上部DBR 250包括铝浓度各不相同的多层AlGaAs。优选地，每一层厚度为四分之一波长，每一层处的工作波长是VCSEL 200的发射光的波长。
通过深层注入(deep implantation)例如H+、He+或O+离子穿过由本领域技术人员公知的遮蔽(masking)技术形成的上部DBR 250的顶面252，在上部DBR 250中形成了非导电性离子注入区255。
离子注入区255形成激光器筒壁257，用于在电学上和光学上限定VCSEL200的垂直激光器腔体。反射性的非注入部分258包括上部DBR中未被注入的那一部分。激光器筒体区259包括非注入部分258和激活区240中直接位于非注入部分258下面的那一部分。
在这个实施例中，离子注入区255的形状基本为环形的，并环绕在上部DBR 250的非注入部分258的周围。非注入部分258的直径260限定了激光器筒体和激光器腔体的直径。
尽管以上举例说明了环形构造的离子注入区255，应注意的是只要离子注入区255限定和形成了上部DBR 250的导电性边界，则离子注入区255就可以为其它的形状。
在图3中，高掺杂的半导体层280沉积在上部DBR 250的整个顶面252之上。因此，高掺杂的半导体层280跨越激光器筒体的直径并延伸覆盖了整个上部DBR 250。
构成层280的高掺杂的半导体材料对VCSEL 200的输出是基本透光的，并且由允许电流导入上部DBR 250的非注入部分258中的材料组成。此类材料可包括GaAs、InGaN、AlGaAs或其它基于上部DBR 250中的材料而选择的材料，选择和掺杂这类材料使电流包括了本领域技术人员所公知的参数。
高掺杂的半导体层280提供与上部接触件215的所需物理接触，同时掺杂提供上部接触件215和筒体区259之间的所需导电性。高掺杂半导体层280的掺杂在VCSEL 200的开孔上施加了基本平滑的电流分布。因此，载流子(chanrge carrier)平稳地流过激光器筒体的中心和激光器中有利于单模式工作的激活区240的中心。
在一个实施例中，高掺杂的半导体层280是由首先在上部DBR 250上形成一层，然后高掺杂该层以产生高掺杂的半导体层280而生成的。或者，可在上部DBR 250上直接沉积预先掺杂过的材料。
对于构建相似的构造还有其它的方式。例如，首先形成GaAs再生长层，然后在采用n-型基底的情况下以碳(C)、锌(Zn)或铍(Be)掺杂该再生长层。根据所采用的材料或所需的特性，可采用其它的掺杂物提供类似的好处。例如，如果设备具有p-型基底，可用硅作为备选掺杂物。
应该注意到高掺杂的半导体层280不限于包括VCSEL的保护层(cap layer)的相同化合物半导体的高掺杂样品。在其它实施例中，高掺杂的半导体可为任何在保护层——如GaAs、AlGaAs和InGaN的顶部生长的点阵匹配(lattice-matching)或伪晶半导体层。此外，可采用透明金属层——如氧化铟锡层补充高掺杂的半导体层，以提高单模式VCSELs的高功率操作性。
高掺杂的半导体层280应该足够薄，以使能量吸收最小化。优选地，高掺杂的半导体层280的厚度等于或基本等于预期VCSEL输出光的四分之一波长的奇数倍。在这种情况下，高掺杂的半导体层280有利于相干光(coherent light)传播，并有助于光反射进入激光器筒体内。结果是，高掺杂的半导体层280成为上部DBR 250的顶层。在这一当前的实施例中，厚度至少与输出波长的四分之三相当的高掺杂半导体层280被证明是不会导致不希望的光吸收也不存在实际制造困难的DBR 250的有效部件。其它的厚度，如四分之五波长，四分之七波长，四分之九波长等都是有效的。
导电性上部接触件215形成于高掺杂的半导体层280之上。导电性接触件也可被称为接触层或设备电极。高掺杂的半导体层280提供与上部接触件215的电接触和物理接触，并提供从上部接触件215流入VCSEL 200的筒体区内的有效电流。高掺杂的半导体层280中的掺杂确保从上部接触件215流入VCSEL设备的电流将有效地流过和进入激光器筒体区259的整个开孔。
由于高掺杂的半导体层280的存在，无须提供覆盖导电性上部DBR 250的部分，即悬突于激光器筒体的部分。换句话说，形成的上部接触件215没有阻碍激光器筒体区发出的输出光和限制激光器直径的任何限定开孔(aperture-limiting)的突出。因此，通过具有高掺杂的半导体层280和直径为直径265的上部接触件215的VCSEL结构200，使图1和2所示的传统上部导体构造中的许多障碍物得以避免。
在与导电性上部接触件215相对的一侧，导电性下部接触件210形成于基底220之上。下部接触件210从下部DBR 230的相对侧上形成。
上部和下部接触件210、215两者都可采用本领域公知的遮蔽技术形成。在一个实施例中，上部和下部接触件210、215优选由金属制成，例由如金、钛、金/锗等制成。也可采用已知用于此类用途的其它类型材料。
遮蔽上部接触件215形成了具有直径265的开口。开口的直径265大于激光器筒体区259的直径，即直径260，直径260是通过上述生成离子注入区255而在上部DBR 250内形成的。对高掺杂半导体层280进行充分掺杂，使电流从位于非导电性激光器筒壁257边缘之上的上部接触件215流入筒体区259而无需接触件突出。
在工作中，当施加电压穿过上部和下部接触件210、215时，随着光子在两个DBRs 230、250之间来回疾驰，在激活区240内产生激光发射。当被施加偏压时，从激活区240产生光。一部分光能穿过上部DBR 250并穿过由上部接触件215限定的开口。由于VCSEL 200不包括图1和2中所示的传统VCSELs的接触件突出，非注入部分258的直径260，其也是激光器筒体区259的直径，限定了激光器筒体以及激光器腔体的开孔直径。因此，上部接触件215不妨碍任何产生于激光器筒体区之中的输出光。进一步地，上部导体215基本上不散射任何光回到激光器筒体区中，这样的光能诱发多模式光产生。最后，由于上部接触件215未限定激光器筒体区的开孔，因此上部导体215并不决定激光器筒体的最小直径。
对于提供了改进VCSEL中发射端处导电结构的装置和方法的本发明的实施方式，其所具有的许多优点是固有的。采用提供了与导电性上部接触件的所需物理和电连接的导电结构来减少阻塞，同时无需接触件从筒体区顶部突出，从而使光输出效率得到提高。这是通过联合采用高掺杂半导体层和非悬突型的导电性上部接触件而实现的，这消除了由图1和2中所示的传统VCSEL的导电结构所造成的光学开孔阻挡。高掺杂半导体层280也使较多的电流散布越过激光器开孔的横截面并通过激活区，这有利于通讯系统开发者们所偏爱的单模式工作的产生。
取消了对阻光性金属接触件突出的需要并通过利用高掺杂半导体层，实现了自然地有利于单模式工作的VCSEL。自然有利的单模式工作型VCSEL本质上就更有效，并且由于其花费较少的能量用于产生不希望的较高模式光，并且制造此类VCSEL复杂性较低，因此在商业上更为理想。特别是，构造此类VCSEL的制造方法通过减少生产步骤而得以简化。例如，根据本发明实施例的VCSELs的结构不仅消除了由接触件突出产生的问题，其所要求的制造步骤也比图2所示的现有技术的VCSEL少。因此，实现了更大的效率。
取消上部金属接触件悬突于激光器筒体区的另一个优点是能制造筒体直径小于图1和2所示的现有技术中VCSEL结构的本发明的VCSEL。由于具有较窄的激光器筒体区，本发明的VCSEL可制造成用于提供优异的单一模式性能和效率，即以相对较高的功率进行单一光学模式发射。例如，以新的上部接触件设置而实现的直径小于10μm的较窄VCSEL激光器倾向于促进单模式工作。
应该强调的是，本发明的上述实施方式仅仅是为清楚理解本发明原则而建立的可能的实施例。它们并非是穷举的，也非用于将本发明限制到所公开的明确形式。在不偏离本发明的精神和原则下可对上述本发明的实施方式进行改变和变化。例如，高掺杂半导体层的相同概念可应用于生长于n-型基底之上的标准p-i-n结构，生长于p-型基底之上的n-i-p结构，或生长于半绝缘性的基底之上的结构。高掺杂半导体层的相同概念也可应用于其它类型的VCSEL材料系统，以及单一设备和阵列设备。所有的此类改变和变化都包括在本发明的范围之内，并通过所附的权利要求加以保护。
权利要求
1.一种用于发射相干光的面射型激光器，其包括基底；形成于所述基底上的多个半导体层，其中一个或多个所述半导体层构成第一分布式布拉格反射体，DBR，一个或多个所述半导体层构成激活区，一个或多个所述半导体层构成第二DBR，该第二DBR包括相干光能穿过的激光器筒体区；以及非导电性离子注入区，其限定所述第二DBR中的所述激光器筒体区的导电性边界；形成于所述第二DBR和所述非导电性离子注入区之上的高掺杂的半导体层；形成于所述基底下面的第一导电性接触件；以及形成于所述高掺杂半导体层之上的第二导电性接触件，两个所述导电性接触件都能向所述激活区施加偏压，从而发射相干光，其中所述高掺杂的半导体层和所述导电性接触件的结合使电流穿过面射型激光器而不会阻挡来从所述激光器筒体区发射的相干光。
2.根据权利要求1所述的面射型激光器，其中所述高掺杂的半导体层以砷化镓、氮化铟镓和砷化铝镓中的至少一种进行高掺杂。
3.根据权利要求1所述的面射型激光器，其中所述激光器筒体区的直径小于10微米。
4.根据权利要求1所述的面射型激光器，其中所述高掺杂的半导体层的厚度基本等于所希望输出光的四分之一波长的奇数倍。
5.根据权利要求4所述的面射型激光器，其中所述高掺杂的半导体层以砷化镓、氮化铟镓和砷化铝镓中的至少一种进行高掺杂。
6.根据权利要求4所述的面射型激光器，其中所述激光器筒体区的直径小于10微米。
7.一种用于发射相干光的面射型激光器，其包括基底；形成于所述基底上的第一分布式布拉格反射体，DBR；形成于所述第一DBR之上的激活区；形成于所述激活区之上的第二DBR，该第二DBR具有非导电性离子注入区和激光器筒体区，该激光器筒体区具有第一直径；形成于所述第二DBR和所述非导电性离子注入区之上的高掺杂的半导体层；以及与所述高掺杂的半导体层相结合的导电性接触件，该导电性接触件限定了具有第二直径的开口，该第二直径大于所述第一直径。
8.根据权利要求7所述的面射型激光器，其中所述高掺杂的半导体层以砷化镓、氮化铟镓和砷化铝镓中的至少一种进行高掺杂。
9.根据权利要求7所述的面射型激光器，其中所述第一直径小于10微米。
10.根据权利要求7所述的面射型激光器，其中所述高掺杂的半导体层的厚度基本等于所希望输出光的四分之一波长的奇数倍。
11.根据权利要求7所述的面射型激光器，其中所述高掺杂的半导体层以砷化镓、氮化铟镓和砷化铝镓中的至少一种进行高掺杂。
12.根据权利要求10所述的面型发射激光器，其中所述第一直径小于10微米。
13.一种提供发射相干光的面射型激光器的方法，该方法包括提供基底；在所述基底上形成第一分布式布拉格反射体，DBR；在所述第一DBR之上形成激活区；在所述激活区之上形成第二DBR，该第二DBR具有非导电性离子注入区和激光器筒体区，该激光器筒体区具有第一直径；在所述第二DBR和所述非导电性离子注入区之上形成高掺杂的半导体层；以及提供设置于所述高掺杂的半导体层的顶部之上的导电性接触件，该导电性接触件限定具有第二直径的开口，该第二直径大于所述第一直径。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述高掺杂的半导体层和所述导电性接触件的结合使电流穿过面射型激光器而不会阻挡从所述激光器筒体区发射的相干光。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述高掺杂的半导体层以砷化镓、氮化铟镓和砷化铝镓中的至少一种进行高掺杂。
16.根据权利要求13所述的方法，其中将所述第一直径降低至10微米以下，从而产生单模式光输出，同时使多模式输出最小化。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述高掺杂的半导体层的厚度基本等于所希望输出光的四分之一波长的奇数倍。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述高掺杂的半导体层以砷化镓、氮化铟镓和砷化铝镓中的至少一种进行高掺杂。
19.根据权利要求17所述的方法，其中将第一直径降低至10微米以下，从而产生单模式光输出，同时使多模式输出最小化。
全文摘要
在垂直腔表面发射激光器(VCSEL)(200)的筒体上形成高掺杂的半导体层(280)，从而提供电流传导并使电流散布穿过并进入激光器筒体的开孔中，同时无需挡光的导电性接触件突出。该VCSEL (200)包括基底、第一分布式布拉格反射体(DBR)(230)、激活区(240)、具有非导电性离子注入区(255)和第一直径(260)的激光器筒体区的第二DBR、高掺杂的半导体层(280)，以及导电性接触件(215)。该导电性接触件限定了具有大于第一直径的第二直径(265)的开口。
文档编号H01S5/183GK1650489SQ03809926
公开日2005年8月3日 申请日期2003年4月1日 优先权日2002年4月1日
发明者X·张 申请人:路美光电公司