垂直腔面发射激光二极管及其制造方法和相关装置的制作方法

专利名称：垂直腔面发射激光二极管及其制造方法和相关装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种垂直腔面发射激光二极管(以下称为VCSEL)、光 学装置、光照射装置、数据处理装置、光发送装置、光空间传输装置、 光传输系统和用于制造VCSEL的方法。
背景技术：
在诸如光通信或光存储的技术领域中，对VCSEL的兴趣日益增加。 VCSEL具有边缘发光半导体激光器所不具有的良好特性。例如，VCSEL 的特征在于低阈值电流和低功耗。对于VCSEL，可以容易地获得圆光斑。 而且，可以在VCSEL位于晶片上的同时进行评价，并且光源可以以二维 阵列布置。通过这些特性，尤其是对通信和数据存储领域中的光源的需 求已预期地增长。在JP2000-022204A中公开的半导体发光元件中，通过由AlGaAs制 成的钝化层而使蚀刻停止，并且当有选择地使AlAs层氧化时，在AlAs 层正下方的钝化层同时被氧化以形成保护层，从而缓解了在被有选择地 氧化的部分处的应力，增加了有效折射率的差异，并降低了阈值。 JP2000-012974A公开了一种选择氧化型面发射激光器，其中提供了这样 的技术，即通过使具有氧化速度高的成分的第一层和具有氧化速度低 于第一层的成分的第二层叠置而形成超点阵层、然后使该层氧化而提供 氧化区。在JP2000-183461A公开的半导体叠置结构中，电流限制层中的 V族元素组由多个元素构成，并且所述多个元素组成比沿着层叠置的方 向逐渐改变。当在光通信或光存储中使用VCSEL作为光源时，需要使从VCSEL 发射的激光的发散角或远场图形(FFP)小于一定值。如果发散角变大，则光斑直径就变大，从而光通信中的错误发生率会增加，或者从存储介 质读数据或向存储介质写数据的分辨率会降低。在发射850腿激光的GaAs型VCSEL中，使用Al成分高的AlAs 或AlGaAs用于电流限制层。电流限制层形成在台式晶体管(mesa)中， 并且在氧化处理中从台式晶体管的侧表面被氧化至一定距离，以在内部 形成被氧化区包围的导电区(氧化孔)。VCSEL的发散角取决于形成在电流限制层中的氧化孔的直径。更具 体地说，如果氧化孔的直径变小，则发散角趋于变大，而如果氧化孔的 直径变大，则发散角趋于变小。另外，氧化孔是决定激光发射模式的关 键因素。为了获得单模激光，应使氧化孔较小。通过对叠置在基板上的半导体层进行蚀刻而处理呈柱形或方形的台 式晶体管。直径的尺寸会根据在该处理中的精度而改变。另外，如果从 具有这样结构的台式晶体管的侧表面氧化电流限制层，则还会由于氧化 而发生改变。具体地说，如果氧化孔的直径如单模中那样小，则难以再 现氧化孔的直径，从而难以控制发散角。本发明的目的是提供一种可以使发散角比现有技术中小的VCSEL， 以及使用该VCSEL的模块、光源装置、数据处理装置、光发送装置、光 空间传输装置和光空间传输系统，和用于制造VCSEL的方法。发明内容根据本发明的一方面，提供了一种VCSEL，该VCSEL包括在基 板上的第一导电型的第一半导体镜面层、在该第一半导体镜面层上的有 源区、在该有源区上的第二导电型的第二半导体镜面层和接近所述有源 区的电流限制层。台式晶体管结构形成为使得所述电流限制层的至少一 侧表面露出。所述电流限制层包括具有铝成分的第一半导体层和具有铝 成分的第二半导体层，该第二半导体层形成为比所述第一半导体层更靠 近所述有源区。所述第一半导体层的铝浓度高于所述第二半导体层的铝 浓度。当激光的振荡波长为入时，作为所述第一半导体层和所述第二半 导体层的厚度总和的光学厚度为入/4。从所述台式晶体管结构的所述侧表面有选择地使所述第一半导体层和所述第二半导体层氧化。所述电流限制层中的所述第二半导体层形成为邻近所述有源区，并 且所述第一半导体层形成为邻近所述第二半导体层。所述电流限制层形成在所述第二半导体镜面层中，所述第一半导体 层是所述第二导电型的AlxGai_xAs层，并且所述第二半导体层是所述第 二导电型的AlyGa"As层，其中x〉y。所述电流限制层形成在所述第一半导体镜面层中，所述第一半导体 层是所述第一导电型的AlxGai_xAs层，并且所述第二半导体层是所述第 一导电型的AlyGai.yAs层，其中x>y 。所述第一半导体层的x等于1，并且所述第二半导体层的y约为 0.85<y<0"0。通过交替地叠置铝成分高的第一 AlGaAs层和铝成分低的第二 AlGaAs层而形成所述第二半导体镜面层，并且所述电流限制层中的所述 第二半导体层的铝浓度低于所述第一 AlGaAs层的铝浓度。通过交替地叠置铝成分高的第一 AlGaAs层和铝成分低的第二 AlGaAs层而形成所述第一半导体镜面层，并且所述电流限制层中的所述 第二半导体层的铝浓度低于所述第一 AlGaAs层的铝浓度。由形成在所述电流限制层中的所述第一半导体层中的氧化区包围的 导电区的直径至少等于或小于5.0微米。所述第二半导体镜面层包括位于最上层的接触层，并且在该接触层 上形成有电极层，在该电极层上形成有用于发射激光的开口。根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造垂直腔面发射激光二 极管(VCSEL)的方法，该方法包括形成位于基板上的第一导电型的 第一半导体镜面层、在该第一半导体镜面层上的有源区、在该有源区上的第二导电型的第二半导体镜面层和接近所述有源区的电流限制层，使 得所述电流限制层包括包含铝成分的第一半导体层和包含铝成分的第二 半导体层，该第二半导体层形成为比所述第一半导体层更靠近所述有源 区，并且所述第一半导体层的铝浓度高于所述第二半导体层的铝浓度， 当激光的振荡波长为A时，作为所述第一半导体层和所述第二半导体层的厚度总和的光学厚度为人/4;形成台式晶体管结构，使得所述电流限制层的至少一侧表面露出；以及从所述台式晶体管结构的所述侧表面同时并有选择地使所述电流限制层中的所述第一半导体层和所述第二半导体 层氧化。所述电流限制层中的所述第二半导体层形成为邻近所述有源区，并 且所述第一半导体层形成为邻近所述第二半导体层。所述电流限制层形成在所述第二半导体镜面层中，所述第一半导体层是所述第二导电型的AlxGai.xAs层，并且所述第二半导体层是所述第 二导电型的AlyGa,.yAs层，其中x^。所述电流限制层形成在所述第一半导体镜面层中，所述第一半导体 层是所述第一导电型的AlxGat—xAs层，并且所述第二半导体层是所述第 一导电型的AlyGai—yAs层，其中x〉y。所述第一半导体层的x等于1，并且所述第二半导体层的y约为 0.85<y<0.90。该制造方法还包括在所述第二半导体镜面层上形成电极层，在该 电极层上形成有用于发射激光的开口。根据本发明的又一方面，提供了一种光学装置，该光学装置包括 所述垂直腔面发射激光二极管；电连接至所述垂直腔面发射激光二极管 的电连接端子；以及用于注入从所述垂直腔面发射激光二极管发射的光 的光学元件。根据本发明的又一方面，提供了一种光照射装置，该光照射装置包 括所述垂直腔面发射激光二极管；包括至少一个透镜或镜的光学元件； 以及用于通过所述光学元件照射从所述垂直腔面发射激光二极管发射的 光的照射单元。根据本发明的又一方面，提供了一种数据处理装置，该数据处理装 置包括所述光学装置；和用于发送从所述垂直腔面发射激光二极管发 射的光的发送单元。根据本发明的又一方面，提供了一种光发送装置，该光发送装置包 括所述光学装置；和用于发送从所述垂直腔面发射激光二极管发射的光的发送单元。根据本发明的又一方面，提供了一种光空间传输装置，该光空间传 输装置包括所述光学装置；和用于空间传输从所述垂直腔面发射激光 二极管发射的光的传输单元。根据本发明的又一方面，提供了一种光传输系统，该光传输系统包 括所述光学装置；和用于传输从所述垂直腔面发射激光二极管发射的 光的传输单元。根据本发明，可以使激光的发散角比没有本发明实施例的结构的情 况小。另外，所述第二半导体层与所述有源区直接接触，因而可通过所述 第二半导体层中的氧化区的端部更有效地减少从所述有源区产生的光的 限制量。另外，仅通过改变构成所述第二半导体镜面层的AlGaAs层的铝浓 度可容易地形成所述电流限制层中的所述第二半导体层，从而可以控制 发散角。另外，仅通过改变构成所述第一半导体镜面层的AlGaAs层的铝浓 度可容易地形成所述电流限制层中的所述第二半导体层，从而可以控制 发散角。另外，可以通过所述第二半导体层的铝浓度控制单模激光的发散角。另外，在发射激光的半导体镜面层中设置有电流限制层，从而可以 有效地使发散角更小。另外，所述第二半导体层中的氧化区的端部倾斜，从而可以减少光限制量，并可以减少激光的发散角。另外，具有减少发散角的激光可用于光通信和信息记录的光源。


下面将基于附图详细地描述本发明的示例性实施方式，在附图中图1是根据本发明实施例的VCSEL的平面图；图2是沿图1的线A-A剖取的剖面图；图3是表示图2所示的台式晶体管的细节的放大图；图4A是示意性地示出了形成在AlAs层和Alo.88Ga(H2As层中的氧化 区的端面的剖面图；图4B是示意性地示出了氧化区在一平面上的尺寸的平面图；图5是表示发散角与在电流限制层中的位于AlAs层正下方的 AlGaAs层的Al浓度之间关系的曲线图；图6A至图6C是示出了用于制造根据本发明第一实施例的VCSEL 的方法的步骤的剖视图；图7A至图7C是示出了用于制造根据本发明第一实施例的VCSEL 的方法的步骤的剖视图；图8A和图8B是示出了用于制造根据本发明第一实施例的VCSEL的方法的步骤的剖视图；图9是其中实施有根据本发明实施例的VCSEL的光学装置的结构的示意性剖视图；图IO是表示另一光学装置的结构的示意性剖视图；图11示出了使用VCSEL的光照射装置的结构的实施例；图12是示出了使用图9所示的光学装置的光发送装置的结构的示意性剖视图；图13示出了其中在空间传输系统中使用图IO所示的光学装置的结 构的实施例；图14是示出了光传输系统的结构的框图；图15示出了光传输装置的外部结构；以及图16示出了使用图15的光传输装置的视频传输系统。
具体实施方式
下面将参照附图描述用于实施本发明的示例性实施方式。 图1是根据本发明实施例的VCSEL的平面图，图2是沿图1的线 A-A剖取的剖面图。如图1和图2所示，VCSEL 100包括在n型GaAs基板102的背面上的n侧电极150。在基板102上叠置有半导体层，所述 半导体层包括n型GaAs缓冲层104、由n型AlGaAs半导体多层构成的 下DBR (分布布喇格反射器)106、有源区108、由两层(p型AlAs层 和p型AlGaAs层)构成的电流限制层110、由p型AlGaAs半导体多层 构成的上DBR112、以及p型GaAs接触层114。在基板102上通过蚀刻半导体层而形成环形槽116，使得槽116具有 从接触层114到下DBR 106的一部分的深度或者位于电流限制层的正下 方。通过槽116，形成作为激光发射部的柱形台式晶体管P或柱，并且与 台式晶体管P隔离地形成焊盘形成区118。台式晶体管P形成了由下DBR 106和上DBR112构成的谐振器结构，并且有源区108和电流限制层110 介于它们之间。如上所述，电流限制层110包括p型AlAs层110a和位于该层110a 下方的p型AlGaAs层110b。 AlAs层110a和p型AlGaAs层110b在形 成台式晶体管P时在台式晶体管P的侧表面处露出，并且在随后的氧化 处理中从台式晶体管P的侧表面被同时氧化。通过氧化，在AlAs层110a 和p型AlGaAs层110b中形成氧化区111a和lllb，并且形成被氧化区 llla和lllb包围的导电区。在该导电区中，电流和光受到限制。在包括槽116的基板的整个表面上形成有层间绝缘膜120。层间绝缘 膜120覆盖台式晶体管P的表面、台式晶体管P的通过槽116露出的侧 表面、槽116、焊盘形成区118的通过槽116露出的侧表面以及焊盘形成 区118的表面。在台式晶体管P的顶部处，在层间绝缘膜120中形成有 环形接触孔。通过该接触孔，p侧圆形上电极130电连接至接触层114。 p侧上电极130由金或钛/金制成，并且在其中央部处形成有限定激光发 射区的圆形开口 132。在图2的实施例中，开口 132被层间绝缘膜120遮 挡并被保护，使得GaAs接触层114不会暴露于外部。开口 132不是必须 被层间绝缘膜120遮挡，而可以露出。在焊盘形成区118中，在层间绝缘膜120上形成圆形电极焊盘134。 电极焊盘134通过在槽116中延伸的引出电极布线136而连接至p侧上 电极130。图3是图2的台式晶体管的一部分的放大剖面图。有源区108由无掺杂的下AlQ.6GaQ.4As间隔层108a、无掺杂的量子势阱有源层108b (其 由三个厚度均为70nm的GaAs量子势阱层和四个厚度均为50nm的 Al0.3Gaa7As阻挡层构成)、以及无掺杂的上Alo.6Gao.4As间隔层108c形成。通过交替叠置Al成分高的Al^Ga^As层112a和Al成分低的 Alai5Gao.85AS层112b达30个周期以使得各层的厚度变为介质中波长入的 1/4，而制成上DBR 112。在作为上DBR 112的最终层或顶层的 Al0.15Gao.85As层112b上，形成有GaAs接触层114，使得作为顶层 Alai5GaQ.85As层112b和GaAs接触层114的总和的光学厚度变为入/4。这 是因为Al含量百分比较低的层不易于被氧化，因而更易于提供电接触。 在本发明的实施例中，激光的振荡波长A为大约850nm。电流限制层IIO形成为邻近间隔层108c。换言之，Al,GaQ.12As层 110b形成在间隔层108c的正上方，并且在其上形成具有高Al浓度的 AlAs层110a。作为Al0.88Ga0.12As层110b和AlAs层110a的厚度总和的 光学厚度为激光的波长入的1/4。电流限制层IIO是上DBR 112的半导体层之一。图4A是示意性地示出了形成在AlAs层11 Oa和Alo.88Gaa 12As层11 Ob 中的氧化区的端面的剖面图。图4B是示意性地示出了氧化区在一平面上 的尺寸的平面图。在大约340摄氏度的蒸汽环境中从台式晶体管P的侧表面对电流限 制层110氧化达一定时间，如稍后将描述。AlAs层110a具有比 Al,Gaai2As层110b高的Al浓度，并且具有较高的横向氧化速度。因此， AlAs层110a的氧化区111a的端面El接近成直角。另一方面，在 Ala88Gao.12As层110b的氧化中，氧从AlAs层110a垂直进入，因而氧化 在靠近AlAs层110a的部分处进行。结果，AlGaAs层110b中的氧化区 111b的端面E2倾斜。端面E2的倾斜角9取决于AlGaAs层110b的Al浓度。Al浓度越高，则沿横向的氧化就越快，因而倾斜角e变得越大，这导致较陡的倾斜。如图4B所示，由AlAs层110a和Al0.88Ga0.,2As层110b中的氧化区 llla和lllb形成的导电区的轮廓在平面图中为反映了台式晶体管P的轮 廓的圆形。被氧化区llla包围的导电区Pl的直径控制激光的单模和阈 值电流。优选的是，对氧化距离进行控制以使得该直径为大约3um。另一方面，被Al0.88Ga0.12As层110b中的氧化区lllb包围的导电区 P2的最下表面上的直径D2由D2=Dl+2T/tan 6 (其中，T是Ala88Gao.12As 层110b的厚度)计算得到，并且例如为大约8um。如上所述，倾斜角 0取决于AlGaAs层110b的Al浓度，随着AI浓度变高，倾斜角e相应 地变大。因此，导电区P2的直径D2可以通过AlGaAs层110b的Al浓 度和厚度T来确定。在该实施例中，形成在上电极130中的开口 132的 直径D3大于导电区P1的直径D1，并且开口 132不控制激光的发散角。图5是表示激光的发散角与在电流限制层中的形成在AlAs层正下方 的AlGaAs层110b的Al浓度之间关系的曲线图。如从该曲线图可以看出， 如果使AlGaAs层的Al浓度小至在约0.90到0.85的范围内，则激光的发 散角变为小至约17度到约14度。这样，根据本发明的实施例，在电流限制层110中形成Al浓度比 AlAs层110a低的AlGaAs层110b，因而在氧化区111b的端面E2上形成 倾斜。通过该结构，可以减少光限制量，并且可以减少发散角或FFP， 从而可以获得尖锐的FFP。另外，并不通过形成在电流限制层110中的Al浓度高的AlAs层110a 中的导电区P1的直径D1对发散角进行控制，而是可以通过设置在其正 下方的AlGaAs层110b的Al浓度对发散角进行控制。因此，与现有技术 相比，可以更容易地控制发散角。而且，可以通过相应的AlAs层和AlGaAs层对单模进行控制并对发 散角进行控制。因此，可以使处于矛盾关系的单模和发散角最佳。另外，因为仅通过改变构成上DBR的AlGaAs层的Al浓度而设置 AlGaAs层110b的Al浓度，所以可以相对容易地设置AlGaAs层110b的 Al浓度。此外，通过靠近有源区108形成电流限制层110，可以更有效 地减少在有源区108处产生的光限制量。在上述实施例中，电流限制层110由AlAs层110a和Ala88Gao.12As 层110b构成，但这仅是实施例。电流限制层110可以由满足x〉y关系的 Al浓度高的AlxGai.xAs层和Al浓度低的AlyGai.yAs层构成。优选的是， 当乂=1时，0.85<y<0.90。在上述实施例中，电流限制层IIO形成在上DBR中，但是电流限制 层IIO可以形成在下DBR中。在这种情况下，期望的是电流限制层IIO 接近有源层108。另外，电流限制层110具有n型，并且台式晶体管P延 伸至下DBR，以使电流限制层110的侧表面露出。在上述实施例中，在基板上形成单个台式晶体管P;但是，也可以 在基板上形成多个台式晶体管，以用作从所述多个台式晶体管同时发射 激光的多光束或多光斑。而且，在上述实施例中，振荡波长为850nm; 但是，该波长不是必须这样指定的，而可以是诸如780nm的其它波长。 另夕卜，在上述实施例中，示出了使用AlGaAs型化合物半导体的VCSEL; 但是，本发明也可应用于其中使用其它III-V族化合物半导体的VCSEL。 另外，除了柱形之外，台式晶体管的形状可以是方形。下面参照图6A至图8B来描述实施例的用于制造VCSEL的方法。 如图6A所示，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)，在n型GaAs 基板102上沉积载流子浓度为1X1018 cn^且厚度为约0.2um的n型 GaAs缓冲层104。在该缓冲层104上交替地叠置Ala9GaaiAs和 Alai5Gaa85As (均具有介质中波长入的1/4的厚度)达40.5个周期，以形 成载流子浓度为1 X 1018 cnf3且总厚度为约4 u m的下n型DBR 106。在 下DBR 106上叠置有源区108，该有源区108由无掺杂的下Ala6Gaa4As 间隔层、无惨杂的量子势阱有源层(其由三个厚度均为70nm的GaAs量 子势阱层和四个厚度均为50nm的AlQ.3Gaa7AS阻挡层构成)、以及无掺 杂的上Al。.6Ga。.4As间隔层构成。在有源区108上叠置载流子浓度为1 X 1018 cm-3且总厚度为约2 u m的上p型DBR 112，通过叠置Ala9GaaiAs 和Alai5Ga().85AS达30个周期而得到该总厚度，使得各层的厚度变为介质 中波长入的1/4。在上DBR 112的最下部处插设有AlAs层110a和AlGaAs层llOb用于选择性氧化，并且也使得这对AlAs层110a和AlGaAs层110b变为介 质中波长入的1/4。 AlGaAs层110b的Al成分为88% 。在上DBR 112的最 上层中，形成载流子浓度为1 X 1019 cm—3且厚度为约20nrn的p型GaAs接 触层114。尽管未详细地描述，为了减少DBR层的电阻，可以在Alo.9GaojAs 和Alai5Gao.85As之间的界面上设置厚度为约20nrn的区域，在该区域中， Al成分从90%逐渐变为15%。通过使用三甲基镓、三甲基铝或砷化三氢(相 继地进行改变)作为源气体，使用二环戊基镁(cyclopentadinium magnesium) 作为p型掺杂材料，使用硅垸作为n型掺杂物，使基板温度保持在750摄 氏度而不破坏真空，连续地进行沉积以形成这些层。接着，如图6B所示，通过使用光刻处理，在外延生长层上形成抗蚀 剂掩模R。然后，通过使用三氯化硼作为蚀刻气体进行反应离子蚀刻， 以形成到达下DBR 106的中部的环形槽116，如图6C所示。通过该处理， 形成直径为约10至30 u m的柱形半导体台式晶体管P或方棱柱形半导体 台式晶体管P、以及包围台式晶体管P的焊盘形成区118。通过形成台式 晶体管P，使电流限制层110中的AlAs层110a和位于AlAs层110a的正 下方的Ala88Gao.12As层110b在台式晶体管的侧表面处露出。然后，在移除抗蚀剂R之后，如图7A所示，使基板例如暴露于340 摄氏度的蒸汽环境达一定量的时间，以进行氧化处理。从台式晶体管P 的侧表面使构成电流限制层110的AlAs层110a和Ala88Ga。.12As层110b 氧化，以反映柱的形状，从而未被氧化的未氧化区(导电区)变成电流 注入区或导电区。在该处理期间，Alo.88Ga(H2As层110b中的氧化区lllb 的端面倾斜。接着，如图7B所示，通过使用等离子体CVD设备，在包括槽116 的基板的整个表面上沉积由SiN制成的层间绝缘膜120。之后，如图7C 所示，通过使用一般的光刻处理对层间绝缘膜120进行蚀刻，以在台式 晶体管P的顶部处在层间绝缘膜120中形成圆形接触孔120a，以使接触 层114露出。或者，接触孔120a可以制成环形形状，从而变为发射区的 接触层114可以被SiN保护，如图2所示。之后，如图8A所示，通过使用光刻处理在台式晶体管P的上部的中央部形成蚀刻剂图案R1。从蚀刻剂R1的上方，通过使用EB沉积设备，沉积100至1000nm (优选为600nm)的Au作为p侧电极材茅斗。当剥离 抗蚀剂图案R1时，如图8B所示移除抗蚀剂图案Rl上的Au，并形成上 电极130、电极焊盘134和引出布线136。从没有p侧电极的部分，艮口， 从位于柱的中央部的开口 132发射激光。尽管这里未详细地描述，可以 在形成柱之前形成在台式晶体管P上形成的金属开口部。在基板的背面上沉积Au/Ge作为n电极。之后，以250至500摄氏 度(优选为300至400摄氏度)的退火温度，进行退火达10分钟。退火 持续时间不必限制为IO分钟，而可以在0至30分钟的范围内。而且， 沉积方法不是必须限制为EB沉积，也可以使用电阻加热方法、溅射方法、 磁控管溅射方法或CVD方法。另外，退火方法不是必须限制为使用普通 电炉的热退火，通过使用红外辐射的快速加热退火或激光退火、通过高 频加热的退火、通过电子束的退火或者通过灯加热的退火都可以实现类 似的效果。下面将参照附图描述光学装置(模块)、光发送装置、光传输系统、 光传输装置等。图9是表示其中安装有VCSEL的光学装置的结构的示意 性剖视图。在光学装置300中，通过导电粘合剂320在盘状金属管座330 上固定其中形成有VCSEL的芯片310。将导电引线340和342插入形成 在管座330中的通孔(未示出)内。 一个引线340电连接至VCSEL的n 侧电极，另一引线342电连接至VCSEL的p侧电极。在包括芯片310的管座330上方固定有方形中空的帽350，并且球 透镜360固定在帽350的中央部中的开口内。球透镜360的光轴定位成 与芯片310的大致中央一致。当在引线340和342之间施加正向电压时， 从芯片310垂直地发射激光。芯片310与球透镜360之间的距离被调整 为使得球透镜360包含在来自芯片310的激光的发散角e内。另外，光学装置300可以包括用于监视VCSEL的发射状态的光感测元fl^或热传感 器°图IO示出了另一光学装置的结构。在图10所示的光学装置302中， 取代使用球透镜360，在帽350的中央部中的开口内固定平板玻璃362。平板玻璃362的中央定位成与芯片310的大致中央一致。芯片310与平 板玻璃362之间的距离被调节成使得平板玻璃362的开口直径等于或大 于来自芯片310的激光的发散角9 。图11示出了其中使用VCSEL作为光源的实施例。光照射装置370 包括如图9或图10所示的安装有VCSEL的光学装置300 (302);接 收来自光学装置300 (302)的多光束激光的准直透镜372;多角镜374， 其以一定的速度旋转并且以一定的发散角反射来自准直透镜372的光线； f e透镜376，其接收来自多角镜374的激光并将该激光投射在反^t镜378 上；线形的所述反射镜378;以及感光鼓380，其基于来自反射镜378的 反射光而形成潜像。这样，VCSEL阵列可用于光学数据处理装置的光源， 该光学数据处理装置例如为配备有将来自VCSEL的激光收集在感光鼓 上的光学系统和扫描感光鼓上的所收集激光的机构的复印机或 丁印机。图12是示出了其中图9所示的光学装置应用于光发送装置的结构的 剖视图。光发送装置400包括固定于管座330的筒形壳体410、在壳体 410的边缘表面上与该壳体410形成一体的套筒420、保持在套筒420的 开口 422中的套圈430、以及由套圈430保持的光纤440。在沿着管座330 的周向形成的凸缘332中，固定有壳体410的边缘部分。套圈430恰好 定位在套筒420的开口 422中，并且光纤440的光轴与球透韦竟360的光 轴对准。在套圈430的通孔432中，保持有光纤440的芯。从芯片310的表面发射的激光被球透镜360集中。集中的光注入光 纤440的芯中并传输。尽管在上述实施例中使用球透镜360， ^叵也可以使 用诸如双凸透镜或平凸透镜的其它透镜。另外，光发送装置400可以包 括用于向引线340和342施加电信号的驱动电路。另外，光发送装置400 可以具有通过光纤440接收光信号的接收功能。图13示出了其中在空间传输系统中使用图10所示的模块的结构。 空间传输系统500包括光学装置302、聚光透镜510、散射板520以及反 射镜530。被聚光透镜510集中的光通过反射镜530的开口 532而被散射 板520反射。反射的光被反射向反射镜530。反射镜530朝向予页定方向反 射经反射的光以进行光传输。图14示出了其中VCSEL用作光源的光传输系统的结构的实施例。 光传输系统600包括光源610，其包含形成有VCSEL的芯片310;光 学系统620，其例如用于集中从光源610发射的激光；光接收器630，其 用于接收从光学系统620输出的激光；以及控制器640，其用于控制光源 610的驱动。控制器640向光源610提供用于驱动VCSEL的驱动脉冲信 号。从光源610发射的光借助用于空间传输的光纤或反射镜通过光学系 统620而传输到光接收器630。光接收器630例如通过光检测器检测所接 收的光。光接收器630能够通过控制信号650控制控制器640的操作(例 如，光传输的开始时刻)。接着在图15中示出了用于光传输系统的光传输装置的结构的实施 例。光传输装置700包括外壳710、光信号传输/接收连接器720、光发射 /光接收元件730、电信号电缆连接器740、电源输入750、用于指示正常 操作的LED 760、用于指示异常的LED 770以及DVI连接器780，并且 该光传输装置具有安装在内部的传输电路板/接收电路板。图16中示出了其中使用光传输装置700的视频传输系统的实施例。 视频传输系统800使用图15所示的光传输装置，而将在视频信号发生器 810处产生的视频信号传输给诸如液晶显示器的图像显示器820。更具体 地说，视频传输系统800包括所述视频信号发生器810、所述图像显示器 820、用于DVI的电缆830、传输模块840、接收模块850、用于视频信 号传输光信号的连接器860、光纤870、用于控制信号的电缆连接器880、 电源适配器890以及用于DVI的电缆900。在上述视频传输系统中，分别通过电缆830和900由电信号来进行 视频信号发生器810与传输模块840之间以及接收模块850与图像显示 器820之间的传输。但是，也可以由光信号来进行这些传输。例如，取 代使用电缆830和900，可以使用其中在连接器中包含有电/光转换电路 和光/电转换电路的信号传输线缆。根据本发明一方面的VCSEL可以用于诸如光学数据处理或光学高 速数据通信的领域中。描述。但不旨在穷尽或将本发明限于所公开的确切形式。显然的是，许 多修改和变动对于本领域技术人员是显而易见的。为了最好地说明本发 明的原理及其实际应用而选择并描述了示例性实施方式，从而使得本领 域技术人员能够理解本发明可用于各种示例性实施方式和适于所考虑的 具体应用的各种修改。本发明的范围意在由所附权利要求及其等价物来 限定。
权利要求
1、一种垂直腔面发射激光二极管，该垂直腔面发射激光二极管包括在基板上的第一导电型的第一半导体镜面层、在该第一半导体镜面层上的有源区、在该有源区上的第二导电型的第二半导体镜面层和接近所述有源区的电流限制层；以及台式晶体管结构，该台式晶体管结构形成为使得所述电流限制层的至少一侧表面露出；并且所述电流限制层包括包含铝成分的第一半导体层和包含铝成分的第二半导体层，该第二半导体层形成为比所述第一半导体层更靠近所述有源区，并且所述第一半导体层的铝浓度高于所述第二半导体层的铝浓度，当激光的振荡波长为λ时，作为所述第一半导体层和所述第二半导体层的厚度总和的光学厚度为λ/4，并且从所述台式晶体管结构的所述侧表面有选择地使所述第一半导体层和所述第二半导体层氧化。
2、 根据权利要求l所述的垂直腔面发射激光二极管，其中，所述电 流限制层中的所述第二半导体层形成为邻近所述有源区，并且所述第一 半导体层形成为邻近所述第二半导体层。
3、 根据权利要求1或2所述的垂直腔面发射激光二极管，其中，所述电流限制层形成在所述第二半导体镜面层中，所述第一半导体层是所 述第二导电型的AlxGai_xAs层，并且所述第二半导体层是所述第二导电 型的AlyGa^As层，其中x〉y。
4、 根据权利要求1或2所述的垂直腔面发射激光二极管，其中，所 述电流限制层形成在所述第一半导体镜面层中，所述第一半导体层是所 述第一导电型的AlxGai.xAs层，并且所述第二半导体层是所述第一导电 型的AlyGaLyAs层，其中x〉y。
5、 根据权利要求3或4所述的垂直腔面发射激光二极管，其中，所 述第一半导体层的x等于1，并且所述第二半导体层的y约为0.85<y<0.90。
6、 根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光二极管，其中，通过交 替地叠置铝成分高的第一 AlGaAs层和铝成分低的第二 AlGaAs层而形成所述第二半导体镜面层，并且所述电流限制层中的所述第二半导体层的铝浓度低于所述第一 AlGaAs层的铝浓度。
7、 根据权利要求4所述的垂直腔面发射激光二极管，其中，通过交 替地叠置铝成分高的第一 AlGaAs层和铝成分低的第二 AlGaAs层而形成 所述第一半导体镜面层，并且所述电流限制层中的所述第二半导体层的 铝浓度低于所述第一 AlGaAs层的铝浓度。
8、 根据权利要求l所述的垂直腔面发射激光二极管，其中，由形成 在所述电流限制层中的所述第一半导体层中的氧化区包围的导电区的直 径至少等于或小于5.0微米。
9、 根据权利要求l所述的垂直腔面发射激光二极管，其中，所述第 二半导体镜面层包括位于最上层的接触层，并且在该接触层上形成有电 极层，在该电极层上形成有用于发射激光的开口。
10、 一种用于制造垂直腔面发射激光二极管的方法，该方法包括 形成位于基板上的第一导电型的第一半导体镜面层、在该第一半导体镜面层上的有源区、在该有源区上的第二导电型的第二半导体镜面层和接近所述有源区的电流限制层，使得所述电流限制层包括包含铝成分的第一半导体层和包含铝成分的第二半导体层，该第二半导体层形成为比所述第一半导体层更靠近所述有源区，并且所述第一半导体层的铝浓度高于所述第二半导体层的铝浓度，当激光的振荡波长为入时，作为所 述第一半导体层和所述第二半导体层的厚度总和的光学厚度为入/4;形成台式晶体管结构，使得所述电流限制层的至少一侧表面露出；并且从所述台式晶体管结构的所述侧表面同时并有选择地使所述电流限 制层中的所述第一半导体层和所述第二半导体层氧化。
11、 根据权利要求10所述的制造方法，其中，所述电流限制层中的 所述第二半导体层形成为邻近所述有源区，并且所述第一半导体层形成 为邻近所述第二半导体层。
12、 根据权利要求10或11所述的制造方法，其中，所述电流限制 层形成在所述第二半导体镜面层中，所述第一半导体层是所述第二导电型的AlxGai_xAs层，并且所述第二半导体层是所述第二导电型的 AlyGaLyAs层，其中x>y。
13、 根据权利要求10或11所述的制造方法，其中，所述电流限制层形成在所述第一半导体镜面层中，所述第一半导体层是所述第一导电 型的AlxGa,—xAs层，并且所述第二半导体层是所述第一导电型的 AlyGa^As层，其中x>y。
14、 根据权利要求12或13所述的制造方法，其中，戶万述第一半导 体层的x等于1，并且所述第二半导体层的y约为0.85<y<0.90。
15、 根据权利要求10所述的制造方法，其中，该制造方法还包括 在所述第二半导体镜面层上形成电极层，在该电极层上形成有用于发射 激光的开口。
16、 一种光学装置，该光学装置包括如权利要求1至9中任一项所述的垂直腔面发射激光二极管； 电连接至所述垂直腔面发射激光二极管的电连接端子；以及 用于注入从所述垂直腔面发射激光二极管发射的光的光学元件。
17、 一种光照射装置，该光照射装置包括如权利要求1至9中任一项所述的垂直腔面发射激光二极管； 包括至少一个透镜或镜的光学元件；以及用于通过所述光学元件照射从所述垂直腔面发射激光二极管发射的 光的照射单元。
18、 一种数据处理装置，该数据处理装置包括-如权利要求16所述的光学装置；和用于发送从所述垂直腔面发射激光二极管发射的光的发送单元。
19、 一种光发送装置，该光发送装置包括 如权利要求16所述的光学装置；和用于发送从所述垂直腔面发射激光二极管发射的光的发送单元。
20、 一种光空间传输装置，该光空间传输装置包括 如权利要求16所述的光学装置；和用于空间传输从所述垂直腔面发射激光二极管发射的光的传输单
21、 一种光传输系统，该光传输系统包括 如权利要求16所述的光学装置；和用于空间传输从所述垂直腔面发射激光二极管发射的光的传输单
全文摘要
本发明涉及垂直腔面发射激光二极管及其制造方法和相关装置。该垂直腔面发射激光二极管包括基板上的第一导电型的第一半导体镜面层、第一半导体镜面层上的有源区、有源区上的第二导电型的第二半导体镜面层和接近有源区的电流限制层。台式晶体管结构形成为使电流限制层的至少一侧表面露出。电流限制层包括具有铝成分的第一半导体层和具有铝成分的第二半导体层，第二半导体层形成为比第一半导体层更靠近有源区。第一半导体层的铝浓度比第二半导体层的高。当激光的振荡波长为λ时，作为第一和第二半导体层的厚度总和的光学厚度为λ/4。从台式晶体管结构的所述侧表面选择地使第一和第二半导体层氧化。
文档编号H01S5/187GK101237123SQ20071015407
公开日2008年8月6日 申请日期2007年9月13日 优先权日2007年2月2日
发明者吉川昌宏, 山本将央, 近藤崇 申请人:富士施乐株式会社