表面发射半导体激光器及其制造方法

专利名称：表面发射半导体激光器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及表面发射半导体激光器、用于制造表面发射半导体激光 器的方法、模块、光源装置、数据处理装置、光发送装置、光学空间传 输装置和光学空间传输系统。
背景技术：
在诸如光通信或光存储的技术领域中，对表面发射半导体激光器，
即垂直腔表面发射激光器(下文中称为VCSEL)的关注正在增长。VCSEL 具有边缘发射半导体激光器所不具备的卓越特性。例如，VCSEL有低阈 值电流和小功耗的特征。藉由VCSEL，可以容易地获得圆形光斑，可以 当VCSEL在晶片上时进行评价，并且光源可以被布置在二维阵列中。由 于这些特性，预期对作为光源的VCSEL的需求在通信领域中尤其被会增 长。
在VCSEL被用作用于光学传输的光源等的情况下，需要对光源的模 式进行选择。例如，在VCSEL被耦合到光纤并且将执行长途通信的情况 下，单模是更可取的。通常，为了获得单模，需要将VCSEL的电流限制 层的直径构造为大约3至4微米。
对于选择性氧化类型的VCSEL，具有高的Al成分的AlAs或AlGaAs 被用来做电流限制层，并且电流限制层的一部分被氧化以在该电流限制 层中形成孔。因为所述孔是由Al的氧化反应形成的，所以难于精确地控 制其直径，特别是，难于再现用于获得单模的小的孔径，导致了VCSEL 的产量减少。
例如，JP-A-ll-204875公开了一种表面发射激光器，其由n型GaAs 基板、n型半导体多层反射镜、第一间隔层、有源层(active layer)、第 二间隔层、电流限制层、p型GaAs电流注入层、再生长界面、p型第三间隔层和多层反射镜等形成。通过将AlInP、 AlGalnP或AlAs等的其能 带间隙等于或大于2eV的宽间隙半导体应用于电流限制层，并通过由光 刻工艺和再生工艺形成孔层，VCSEL的产量可以得到提高。
JP-A-2002-359432公开了一种表面发射半导体激光器，其中界面区 域抑制了所关心的振荡模式之外的振荡模式，由所述界面区域划分并形 成在用于获得发射光斑的光发射表面的表面上的多个分开的区域相应于 所关心的振荡模式，由此可以使横向模式稳定。
在VCSEL被用作光导路径或用作对存储介质进行读出或写入的光 源的情况下，需要控制激光的偏振方向。JP-A-8-56049公开了一种控制 表面发射激光器的偏振的方法。通过利用由金属/介电衍射光栅偏光镜和 半导体多层反射镜构成的复合反射镜的双折射和相位差，控制激光器的 偏振方向。

发明内容
本发明旨在提供一种表面发射半导体激光器，其中可以比现有技术 通过光发射表面的表面处理进行的模式控制更有效地执行模式控制，以 及提供使用所述表面发射半导体激光器的模块、光源装置、数据处理装 置、光发送装置、光学空间传输装置和光学空间传输系统，并提供了用 于制造表面发射半导体激光器的方法。
本发明的一个方面提供了一种表面发射半导体激光器，其包括基 板；在所述基板上形成的下反射镜；在所述下反射镜上形成并发射光的 有源层；在所述有源层上形成的上反射镜，在所述下反射镜和所述上反 射镜之间形成谐振器；在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成的光学 模式控制层，其在光学上控制激光的模式；以及在所述下反射镜和所述 上反射镜之间形成的电流限制层，其限制在驱动期间所施加的电流。在 光学模式控制层中，形成用于选择性吸收或反射在有源层发射的光的开 □。
优选的是，从有源层发射的光的一部分通过所述开口，其余的光被 光学模式控制层吸收或反射。优选的是，光学模式控制层由具有与有源层匹配的晶格常数的半导 体层构成。
优选的是，光学模式控制层包括光吸收层。 优选的是，光学模式控制层包括金属层。
优选的是，电流限制层包括导电部分和相对于导电部分具有较高电 阻的高反射部分，所述导电部分被所述高反射部分包围，并且光学模式 控制层的开口的中心与所述导电部分的中心一致。
优选的是，光学模式控制层的开口的直径小于电流限制层的导电部 分的直径。
优选的是，电流限制层的高反射部分是选择性氧化区域。 优选的是，下反射镜具有第一导电类型，而光学模式控制层具有第
二导电类型，并且在所述光学模式控制层和上反射镜之间形成电极，该
电极被电耦合到所述光学模式控制层。
优选的是，光学模式控制层的开口形成为圆形。
优选的是，光学模式控制层的开口形成为具有类似缝隙的形状。 优选的是，光学模式控制层的开口形成为关于所述开口的中心不对 称的多个开口。
优选的是，光学模式控制层的开口形成为关于所述开口的中心点对 称的多个开口。
优选的是，根据将被发射的激光的波长选择光学模式控制层的开口 的直径。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造表面发射半导体激光 器的方法，其包括堆叠步骤，其在基板上堆叠至少包括下反射镜，电 流限制层和有源层的半导体层；形成光学模式控制层的步骤，通过用光 刻工艺在所堆叠的半导体层的最上层形成开口来形成在光学上控制激光 的模式的光学模式控制层；以及形成上反射镜的步骤，在所述光学模式 控制层上形成上反射镜，所述上反射镜与所述下反射镜之间构成谐振器。
优选的是，所述方法进一步包括形成柱结构的步骤，该柱结构在 基板上，至少从光学模式控制层延伸到电流限制层；以及形成导电部分的步骤，从所述柱结构的侧表面氧化所述电流限制层的一部分，形成被 氧化区域包围的导电部分。
优选的是，通过外延生长形成所述下反射镜、有源层、电流限制层、 光学模式控制层。
根据本发明的另一方面，提供了一种模块，其包括表面发射半导 体激光器；电耦合到所述表面发射半导体激光器的电连接端子；以及将 从所述表面发射半导体激光器发射的光注入的光学部件。
所述表面发射半导体激光器包括基板；在所述基板上形成的下反 射镜；在所述下反射镜上形成并发射光的有源层；在所述有源层上形成 的上反射镜，在其与所述下反射镜之间形成谐振器；在所述下反射镜和 所述上反射镜之间形成的光学模式控制层，在其中形成用于选择性吸收 或反射在有源层发射的光的开口，所述光学模式控制层在光学上控制激 光的模式；以及在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成的电流限制层， 其限制在驱动期间所施加的电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种光源装置，其包括表面发射 半导体激光器；以及辐照单元，其通过至少包含透镜或镜子的光学部件 辐照从所述表面发射半导体激光器发射的光。
所述表面发射半导体激光器包括基板；在所述基板上形成的下反 射镜；在所述下反射镜上形成并发射光的有源层；在所述有源层上形成 的上反射镜，在其与所述下反射镜之间形成谐振器；在所述下反射镜和 所述上反射镜之间形成的光学模式控制层，在其中形成用于选择性吸收 或反射在有源层发射的光的开口 ，所述光学模式控制层在光学上控制激 光的模式；以及在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成的电流限制层， 其限制在驱动期间所施加的电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种数据处理装置，其包括模块; 以及发送从表面发射半导体激光器发射的光的发送单元。
所述模块包括表面发射半导体激光器；电耦合到所述表面发射半 导体激光器的电连接端子；以及将从所述表面发射半导体激光器发射的 光注入的光学部件。所述表面发射半导体激光器包括基板；在所述基板上形成的下反 射镜；在所述下反射镜上形成并发射光的有源层；在所述有源层上形成 的上反射镜，在其与所述下反射镜之间形成谐振器；在所述下反射镜和 所述上反射镜之间形成的光学模式控制层，在其中形成用于选择性吸收 或反射在有源层发射的光的开口，所述光学模式控制层在光学上控制激 光的模式；以及在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成的电流限制层， 其限制在驱动期间所施加的电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种光发送装置，其包括模块； 以及发送从表面发射半导体激光器发射的光的发送单元。
所述模块包括表面发射半导体激光器；电耦合到所述表面发射半 导体激光器的电连接端子；以及将从所述表面发射半导体激光器发射的 光注入的光学部件。
所述表面发射半导体激光器包括基板；在所述基板上形成的下反 射镜；在所述下反射镜上形成并发射光的有源层；在所述有源层上形成 的上反射镜，在其与所述下反射镜之间形成谐振器；在所述下反射镜和 所述上反射镜之间形成的光学模式控制层，在其中形成用于选择性吸收 或反射在有源层发射的光的开口，所述光学模式控制层在光学上控制激 光的模式；以及在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成的电流限制层， 其限制在驱动期间所施加的电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学空间传输装置，其包括 模块；以及在空间中传输从表面发射半导体激光器发射的光的传输单元。
所述模块包括表面发射半导体激光器；电耦合到所述表面发射半 导体激光器的电连接端子；以及将从所述表面发射半导体激光器发射的 光注入的光学部件。
所述表面发射半导体激光器包括基板；在所述基板上形成的下反 射镜；在所述下反射镜上形成并发射光的有源层；在所述有源层上形成 的上反射镜，在其与所述下反射镜之间形成谐振器；在所述下反射镜和 所述上反射镜之间形成的光学模式控制层，在其中形成用于选择性吸收 或反射在有源层发射的光的开口，所述光学模式控制层在光学上控制激光的模式；以及在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成的电流限制层， 其限制在驱动期间所施加的电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种光学空间传输系统，其包括-
模块；以及在空间中传输从表面发射半导体激光器发射的光的传输单元。 所述模块包括表面发射半导体激光器；电耦合到所述表面发射半 导体激光器的电连接端子；以及将从所述表面发射半导体激光器发射的 光注入的光学部件。
所述表面发射半导体激光器包括基板；在所述基板上形成的下反 射镜；在所述下反射镜上形成并发射光的有源层；在所述有源层上形成 的上反射镜，在其与所述下反射镜之间形成谐振器；在所述下反射镜和 所述上反射镜之间形成的光学模式控制层，在其中形成用于选择性吸收 或反射在有源层发射的光的开口 ，所述光学模式控制层在光学上控制激 光的模式；以及在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成的电流限制层， 其限制在驱动期间所施加的电流。
根据本发明，由谐振器中的光学模式控制层在光学上控制在有源层 发射的光，从而可以实现比用光发射表面执行模式控制的现有技术更有 效的单模控制。
此外，通过反射或吸收一部分有源层发射的光而减小增益，从而可 以执行激光的模式控制。
此外，可以由一系列工艺与下反射镜、有源层和电流限制层一起形 成光学模式控制层。
此外，可以由反射光的金属层执行模式控制。
此外，可以通过使导电部分的中心和开口的中心彼此一致而精确地 执行模式控制。
此外，即使在电流限制层的导电部分的直径与现有技术相比更大时， 也可以获得单模激光。
此外，可以增加利用选择性氧化的再现性，结果是，可以提高表面 发射半导体激光器的制造产量。
此外，可以通过使用光学模式控制层执行电流注入。此外，可以获得单模激光。
此外，可以通过获得对应于缝隙方向的激光的样式而执行激光的偏 振控制。
此外，可以执行激光的偏振控制。
此外，可以获得具有点对称光强样式的激光。
此外，可以选择激光的波长。
此外，可以在谐振器中形成具有高精确性的开口的光学模式控制层， 由此可以有效地执行光学模式控制。
此外，可以相对于现有技术增加电路限制层的导电部分的直径的再 现性，从而可以提高表面发射半导体激光器的产量。
此外，可以由一系列制造工艺形成下反射镜、有源层、电流限制层、 光学模式控制层，由此可以避免制造工艺复杂，并可以实现制造成本的 减少。
此外，具有根据用途而控制的模式的激光可以被用来做适于光学传 输或信息存储的光源。


将基于以下附图，详细描述本发明的示例性实施方式，其中
图1A和图1B是例示根据本发明的第一实施例的VCSEL的构造的 横截面视图，其中图1A例示了形成上层DBR之前的状况，而图1B例 示了形成上层DBR之后的状况；
图2A至图2D是例示光学模式控制层的轮廓的俯视图； 图3A和图3B例示了光强分布，其中由光学模式控制层执行横向模 式控制；
图4是例示了光学模式控制层的开口的直径与振荡波长之间的关系 的曲线图5是例示根据本发明的第二实施例的VCSEL的构造的横截面示意
图6是例示根据本发明的第二实施例的VCSEL的变型实施例的横截面示意图7是例示根据本发明的第三实施例的VCSEL的构造的横截面示意
图8A到图8C是例示根据本发明的第一实施例的用于制造VCSEL 的方法的工艺的横截面视图9A到图9C是例示根据本发明的第一实施例的用于制造VCSEL 的方法的工艺的横截面视图IOA和图IOB是各自例示模块的构造的横截面示意图，在所述模 块中，在根据示例的VCSEL中实施光学部件；
图11例示了在其中使用VCSEL的光源装置的构造的实施例；
图12是例示了在其中使用图IOA中所示的模块的光发送装置的构造 的横截面示意图13例示了在其中将图IOA所示的模块用于光学传输系统的构造；
图14A例示了光学传输系统的构造的框图14B例示了光学传输装置的外部构造；以及
图15例示了在其中使用图14B的光学传输装置的视频传输系统。
具体实施例方式
现在，将参照附图，描述用于实施本发明的示例性实施方式。 图1A和图1B是例示了根据本发明一实施例的VCSEL的构造的橫 截面示意图。根据一实施例，VCSEL 100包括在p型GaAs基板102的 背表面上的p侧电极(p-side electrode) 104。堆叠在基板102上的是下 层DBR (分布式布喇格(Bmgg)反射器)106，其构成了多层膜反射镜， 在所述多层膜中，具有不同x值的两种类型的p型AlxGai-xAs彼此重叠； 由p型Al。.98Gaa()2As制成的电流限制层108; p型下间隔层110;具有量 子阱结构的有源层112; n型上间隔层114;中间层DBR116，其构成了 多层膜局部反射镜，在所述多层膜中，具有不同x值的两种类型的n型 AlxGai.xAs彼此重叠几个周期；由n型GaAs制成的光学模式控制层120， 其中在其中心部分形成开口 118;与光学模式控制层120欧姆接触的n侧电极(n-side electrode) 122;上层DBR 124，其构成多层介电膜反射镜 的，在所述多层介电膜中，Si02和Ti02交替地堆叠；以及SiN等构成的 绝缘层126，其覆盖形成在基板102上的柱结构P的底部、侧表面、以及 顶部的一部分。
通过一系列外延生长，从下层DBR 106到光学模式控制层120，在 基板上形成半导体层。然后，通过从光学模式控制层120到下层DBR 106 蚀刻所述半导体层，形成圆柱形的柱结构P。作为柱结构P的最上层的光 学模式控制层120是GaAs层。通过不在表面上露出A1，防止氧化。
在柱结构P形成之后，从柱结构P的侧面氧化电流限制层108。电 流限制层108相较于其他半导体层具有较高的Al成分，由此具有高于其 他半导体层的氧化速度。通过该氧化，在电流限制层108的外围形成高 度反射部分，并形成由所述高度反射部分包围的导电部分128。导电部分 128在操作期间限制电流，且其直径可以为大约8至6微米。所述电流限 制层可以由AlAs制成。
光学模式控制层120执行有源层112附近的振荡波长的光吸收或光 反射，所述有源层112被下层DBR106和上层DBR124夹在中间。另选 的是，光学模式控制层120可以改变有源层112附近的折射率，所述有 源层112被下层DBR 106和上层DBR 124夹在中间。光学模式控制层120
通过在光学上吸收或反射光来控制激光发射模式，特别是控制横向模式。 在本实施例的VCSEL中，期望在大约850纳米的振荡，且光学模式 控制层120的厚度为大约200纳米。通过蚀刻光学模式控制层120的中 心部分的GaAs层，形成开口 118。在开口 118中，不发生对850纳米的 光的吸收；然而，在保留有GaAs的部分，发生光吸收，并由此在激光振 荡期间减小增益。
通过光刻工艺形成光学模式控制层120的开口 118。通过该工艺，可 以依靠光刻的精确性使开口 118成为精确的图案。导电部分128的中心 和开口 118的中心都与光轴一致。优选的是，开口 118的直径为4至3微 米，并小于导电部分128的直径。通过精确地形成开口 118的直径，可 以更精确地执行激光发射模式的控制。光学模式控制层120经由中间层DBR116被布置在有源层112的附 近。插入中间层DBR 116以执行对从与光学模式控制层120欧姆接触的 n侧电极122扩散的金等的吸收。然而，光学模式控制层120可以形成在 有源层112或上间隔层114上。光学模式控制层120形成在增益介质中， 不在作为激光的光发射表面的顶表面上，由此可以极为有效地控制激光 发射模式。换句话说，开口 118形状的轻微改变可以显著地影响激光发 射模式。
图2A至图2D是光学模式控制层的轮廓示例的俯视图。 在图2A到图2C中所示的光学模式控制层主要控制横向模式，而在 图2D中所示的光学模式控制层主要控制偏振。
在图2A中，当柱结构P形成时，光学模式控制层120形成为圆形， 并形成与所述圆形的外轮廓几乎同心的圆形开口 118。开口 118的中心与 前述的电流限制层108的导电部分128的中心一致，并与光轴一致。通 过将开口 118的直径构造为几乎等于或小于导电部分128的直径，可以 控制横向模式，并可以获得单模激光。图3A中所示的是执行图2A的示 例控制横向模式的光强分布。如图3A中所示，激光的光强分布成为单峰 单模。
图2B中所示的光学模式控制层120具有两个半圆形的开口 140，它 们沿所述圆形开口的中心线划出且相对该线对称。通过该构造，在保留 有GaAs的部分的增益变小。如图3B中所示，激光的光强分布成为具有 对应于所述两个半圆形开口 140的峰的双峰单模。
图2C中所示的光学模式控制层120具有四个扇形开口 142，它们相 对将圆形开口划分为四份的点对称。通过该构造，激光的光强分布成为 具有对应于所述开口 142的四个峰的单模。
图2D中所示的光学模式控制层120通过在一直线方向划分圆形幵口 以形成三个缝隙144而形成。通过该构造，激光的光强分布成为具有对 应于所述三个缝隙的三个峰的样式。另外，发射的激光被对准在可有效 控制偏振的所述缝隙144的方向中。
除了上述激光横向模式或偏振的控制，光学模式控制层120能够控制激光的纵向模式。换句话说，通过改变光学模式控制层120的开口 118
的直径，可以选择振荡波长。
图4例示了当电流限制层108的导电部分128的直径保持为常数时， 光学模式控制层120的开口 118的直径与振荡波长之间的关系。从图4 中明显可见，当开口 118的直径(横轴中所示的GaAs孔径)从6微米增 大到10微米时，按照与该增大近似的比例，振荡波长从大约827纳米增 大到839纳米。因此，可以通过选择开口 118的直径获得具有所希望的 振荡波长的激光。
现在将描述本发明的第二实施例。在第一实施例中，通过蚀刻作为 光学模式控制层的GaAs层形成幵口 118。然而，GaAs层与其下面的 AlGaAs层之间的蚀刻选择性小，由此下面的AlGaAs层被过度蚀刻。这 改变了中间层DBR 116的厚度，是不理想的。因此，在第二实施例中， 采用了可以避免这种归因于蚀刻的厚度损伤的构造。
图5例示了根据第二实施例的VCSEL的横截面示意图，其中相同的 标号用于与第一实施例相同的结构。在第二实施例的VCSEL 100A中， 作为柱结构P的顶盖层，也即，由外延生长的最后一层，形成具有20纳 米厚度的n型GaAs层160。在GaAs层160的外围，n侧电极122欧姆 接触，并且与n侧电极122间隔地形成环形光学模式控制层162。在光学 模式控制层162的中心部分，形成圆形开口 164。开口 164的中心与光轴 一致，且开口 164的直径等于或略微小于导电部分128的直径。光学模 式控制层162可以由诸如金、钛、钨等的金属制成，并通过剥离(lift-off) 以高精确性形成。在剥离工艺中，在形成抗蚀剂图案的情况下蚀刻抗蚀 齐IJ。所述抗蚀剂与GaAs层160之间的选择性足够大，并可以防止中间层 DBR116的厚度损伤。
作为顶盖层的GaAs层160具有极薄的厚度，由此在有源层112中 发射的光可以通过。经GaAs层160通过的光在光学模式控制层162的界 面上存在金属的部分被反射，并通过不存在金属的开口 164。通过该构造， 与第一实施例的情况类似，可以执行对振荡的激光的横向模式控制、偏 振控制以及纵向模式控制。在图5所示的实施例中，与n侧电极122间隔地形成光学模式控制 层162;然而，例如，在将可以与所述GaAs层160欧姆接触的金用于n 侧电极122的情况下，n侧电极122和光学模式控制层162可以通过剥离 同步地形成，它们彼此接触，如图6中所示。
另外，在第二实施例中，光学模式控制层反射具有振荡波长的光； 然而，可以形成吸收具有振荡波长的光的光学模式控制层。例如，如果 振荡波长为大约1微米，则图5中所示的光学模式控制层可以由非晶硅 形成。该非晶硅吸收1微米的波长。因此，与反射光的情况类似，可以 执行振荡波长的横向模式控制、偏振控制以及纵向模式控制。
现在将描述本发明的第三实施例。在第一实施例中，n侧电极122 形成于光学模式控制层120和上层DBR之间；然而，如图7所示，在根 据第三实施例的VCSEL IOOB中，在形成光学模式控制层120之后，在 其上形成n型上层DBR 170，并在这之上形成n侧电极172。所述上层 DBR 170可以由诸如ITO的多层半导体膜形成，且n侧电极172通过上 层DBR 170电耦合到光学模式控制层120。其他结构与第一实施例中的 相同。
现在将参照图8A到图8C以及图9A到图9C，描述用于制造根据第 一实施例的VCSEL的方法。如图8A中所示，通过金属有机化学气相沉 积(MOCVD)，顺序地在p型GaAs基板102上堆叠具有lxl018cmf3 的载流子浓度的p型下层DBR 106，其中各自膜厚为介质中波长的1/4 的Al。.9Ga(uAS禾卩Al紐Ga謹As交替地堆叠例如40.5周期；由p型 Ala98Gaa()2As制成的电流限制层108;由p型Alo.6Gao.4As制成的下间隔 层110;未掺杂的量子阱有源层(由各自具有70纳米的厚度的三层GaAs 量子阱层和各自具有50纳米的厚度的四层Ala3Gao.7AS阻挡层构成)112; 由n型Alo.6Gao.4As制成的上间隔层114; n型中间层DBR116，其中各自 膜厚为介质中波长的1/4的Alo.9GacuAS和Alo.15GaQ.85As的交替地堆叠多 个周期；具有lxl019Cm—3的载流子浓度和200纳米的厚度的n型GaAs层 (光学模式控制层)120。
在停止外延生长之后，从腔室中取出基板，然后如图8B中所示，在光学模式控制层120上形成圆形光刻胶图案M。然后，如图8C中所示， 通过使用所述光刻胶图案，干蚀刻半导体层以在基板102上形成圆柱形 柱结构P。所述柱结构P至少露出电流限制层108。
然后，如图9A中所示，在氧化炉中以预定时间执行基板的氧化。通 过该氧化，从柱P的侧表面起的指定距离被氧化，并在电流限制层108 中形成氧化区域108a。由所述氧化区域108a包围的区域成为在操作期间 执行电流限制的导电部分128。
然后，去除光刻胶图案M，并在基板的整个表面上形成SiN等构成 的绝缘层126。之后，如图9B中所示，通过光刻工艺蚀刻绝缘层126以 在柱结构P的顶部形成圆形开口 126a，并露出GaAs层120。
然后，通过光刻工艺蚀刻在柱结构P的顶部呈现出的GaAs层的顶 部，并且如图9C中所示，形成圆形开口 118以获得光学模式控制层120。
然后，在光学模式控制层120上，通过剥离形成n侧电极122。 Au 或Cu可以被用作电极的材料。然后，在光学模式控制层120上，形成上 层DBR 124，上层DBR 124由交替堆叠的由Si02和Ti02制成的多层介 电膜形成。该多层介电膜由气相沉积或电子束沉积形成。在沉积中，通 过使用光学监视器执行厚度控制，交替堆叠&02和Ti02以至于它们中的 每一个都具有预定的厚度。最后，在基板102的背表面上，形成p侧电 极104。这样，可以获得发射具有大约850纳米的振荡波长的激光的 VCSEL。
对于执行模式控制的层的材料，除了 GaAs，可以更换为诸如InGaAs 的晶格匹配的材料。对于根据第二实施例的VCSEL，将作为最后一层的 GaAs层的厚度构造为20纳米，之后，通过光刻工艺在所述GaAs层上形 成吸收或反射具有振荡波长的光的光学模式控制层。
在上述实施例中，在基板上形成单个的柱结构P;然而，VCSEL可 以是在基板上形成多个柱结构P的多梁(multi-beam)型或多点 (multi-spot)型，并且从所述多个柱结构P发射激光。另夕卜，在上述实 施例中，使用AlGaAs体系的VCSEL;然而，本发明也可以适用于使用 其他III-V族化合物半导体的VCSEL。另夕卜，柱结构的形状除了圆柱形，也可以是长方形。
参照附图，将描述使用实施例的VCSEL的模块、发光装置、空间传 输系统、光学传输装置等。图10A是例示了安装有VCSEL的组件(模 块)的构造的横截面视图。在组件300中，通过导电粘合剂320将其中 形成有VCSEL的芯片310固定在圆盘形金属柄330上。将导电引线340、 342通过在所述柄330中的孔(未示出)插入。引线340被电耦合到VCSEL 的n侧电极，而另一引线342被电耦合到p侧电极。
在柄330上，固定长方形空心罩350以容纳芯片310，并在所述罩 350的中心开口中固定球状透镜360。定位所述球状透镜360的光轴以匹 配芯片310的近似的中心。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。可以调整芯片310与球状透镜360之间的 距离以使球状透镜360被容纳在来自芯片310的激光的发散角0之中。 另外，在所述罩中，可以容纳光传感元件或热传感器以监视VCSEL的发 射状态。
图IOB例示了另一组件的构造。在图10B中所示的组件302中，在 罩350的中心部分中固定平板玻璃362，代替使用球状透镜360。定位平 板玻璃362的中心以匹配芯片310的近似的中心。可以调整芯片310与 平板玻璃362之间的距离以使平板玻璃362的开口直径等于或大于来自
芯片3io的激光的发散角e。
图ll例示了 VCSEL被用作光源的实施例。光源装置370包括其 中如图IOA或图10B实施VCSEL的组件300，接收从组件300发射的多 束激光的瞄准透镜372;以一定速度旋转并以一定发散角反射来自瞄准透 镜372的光线的多边形镜374;接收来自多边形镜374的激光并将所述光 投射在反射镜378上的fB透镜376;线状反射镜378;以及基于来自反射 镜378的被反射的光形成潜像的感光鼓380。这样，可以将VCSEL用作 用于诸如复印机器或打印机的光学数据处理装置的光源，所述光学数据 处理装置装备有将来自VCSEL的激光采集到感光鼓之上的光学系统，以 及将所采集的激光扫描到感光鼓上的结构。
图12是例示将图IOA中所示的模块应用到发光器件的构造的横截面视图。光发送器件400包括固定到柄330的圆柱形外壳410;在其边缘 表面与外壳410 —体地形成的套筒420;在套筒420的幵口 422中夹住的 箍(ferrule) 430;以及由箍430夹住的光纤440。将外壳410的边缘部 分固定于在柄330的圆周方向中形成的凸缘332中。在套筒420的开口 422中准确定位箍430。将光纤440的光轴与球状透镜360的光轴对准。 在箍430的贯通孔432中，夹住光纤440的芯。
由球状透镜360聚集从芯片310的表面发射的激光。所聚集的光被 注入到光纤440的芯中，并被传输。虽然在上述实施例中使用的是球状 透镜360，但也可以使用诸如双凸透镜或平凸透镜的其他透镜。另外，光 发送器件400可以包括用于将电信号施加到引线340、 342的驱动电路。 此外，光发送器件400可以具有用于接收经由光纤440的光信号的接收 功能。
图13例示了将图12中所示的模块用于空间传输系统的构造。空间 传输系统500包括组件300、聚光透镜510、漫射板520、以及反射镜530。 通过聚光透镜510聚集的光穿过反射镜530的开口 532从漫射板520被 反射。所述被反射的光向着反射镜530反射。反射镜530向着预定方向 反射所述被反射的光以执行光学传输。
图14A例示了 VCSEL被用作光源的光学传输系统的示例性构造。 光学传输系统600包括:光源610，其包含在其中形成VCSEL的芯片310; 光学系统620，例如，用于聚集从光源610发射的激光；光接收器630， 用于接收从光学系统620输出的激光；以及控制器640，用于控制光源 610的驱动。驱动器640向光源610提供用于驱动VCSEL的驱动脉冲信 号。从光源610发射的光由用于空间传输的光纤或反射镜穿过光学系统 620被传输到光接收器630。光接收器630例如可以通过光电检测器检测 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，光传输的起始时间)。
图14B例示了用于光学传输系统的光学传输装置的一般构造。光学 传输装置700包括箱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、功率输入750、用于指示工作正常的LED 760、用于指示工作异常的LED770、以及DVI连接器780。在所述 装置之中，包含传输电路板/接收电路板。
在图15中示出了使用光学传输装置700的视频传输系统。视频传输 系统800使用图14B中所示的光学传输装置，用于将在视频信号发生器 810处产生的视频信号传输到诸如液晶显示器的图像显示器820。更具体 地，所述视频传输系统800包括视频信号发生器、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、功率适配 器890、以及用于DVI的电缆900。
根据本发明的表面发射半导体激光器可以被用于诸如光学数据处理 或光学高速数据通信的领域中。
为了例示和说明的目的提供了前述实施例的描述，但其并不用来限 制本发明的范围。应该理解，本发明可以通过满足本发明的构造要求的 本发明范围之内的其他方法来实现。
权利要求
1、一种表面发射半导体激光器，所述表面发射半导体激光器包括基板；下反射镜，其形成在所述基板上；有源层，其形成在所述下反射镜上并发射光；上反射镜，其形成在所述有源层上，在所述上反射镜与所述下反射镜之间形成谐振器；光学模式控制层，其形成在所述下反射镜和所述上反射镜之间，在所述光学模式控制层中形成用于选择性吸收或反射掉在所述有源层中发射的光的开口，所述光学模式控制层在光学上控制激光的模式；以及电流限制层，其形成在所述下反射镜和所述上反射镜之间，限制在驱动期间所施加的电流。
2、 根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中从所述有源 层发射的光的一部分通过所述开口 ，而其余的光被所述光学模式控制层 吸收或反射。
3、 根据权利要求1或2所述的表面发射半导体激光器，其中所述光学模式控制层由具有与所述有源层匹配的晶格常数的半导体层构成。
4、 根据权利要求1或2所述的表面发射半导体激光器，其中所述光学模式控制层包括光吸收层。
5、 根据权利要求1或2所述的表面发射半导体激光器，其中所述光学模式控制层包括金属层。
6、 根据权利要求1至5中任意一项所述的表面发射半导体激光器， 其中所述电流限制层包括导电部分和相对于所述导电部分具有较高电阻 的高反射部分，所述导电部分被所述高反射部分包围，并且所述光学模 式控制层的所述开口的中心与所述导电部分的中心一致。
7、 根据权利要求6所述的表面发射半导体激光器，其中所述光学模 式控制层的所述开口的直径小于所述电流限制层的所述导电部分的直 径。
8、 根据权利要求6或7所述的表面发射半导体激光器，其中所述电 流限制层的所述高反射部分是选择性氧化区域。
9、 根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中所述下反射 镜具有第一导电类型，而所述光学模式控制层具有第二导电类型，并且 在所述光学模式控制层和所述上反射镜之间形成电极，该电极被电耦合 到所述光学模式控制层。
10、 根据权利要求1或2所述的表面发射半导体激光器，其中所述 光学模式控制层的所述开口形成为圆形。
11、 根据权利要求1或2所述的表面发射半导体激光器，其中所述 光学模式控制层的所述开口形成为具有类似缝隙的形状。
12、 根据权利要求1或2所述的表面发射半导体激光器，其中所述光学模式控制层的所述开口形成为关于所述开口的中心不对称的多个开 □。
13、 根据权利要求1或2所述的表面发射半导体激光器，其中所述光学模式控制层的所述开口形成为关于所述开口的中心点对称的多个开 □。
14、 根据权利要求1或2所述的表面发射半导体激光器，其中根据 将被发射的激光的波长选择所述光学模式控制层的所述开口的直径。
15、 一种用于制造表面发射半导体激光器的方法，其包括以下步骤 堆叠步骤，其在基板上堆叠至少包括下反射镜、电流限制层以及有源层的半导体层；形成光学模式控制层的步骤，通过用光刻工艺在所堆叠的半导体层 的最上层上形成开口来形成在光学上控制激光的模式的光学模式控制 层；以及形成上反射镜的步骤，在所述光学模式控制层上形成上反射镜，所 述上反射镜与所述下反射镜之间构成谐振器。
16、 根据权利要求15所述的用于制造表面发射半导体激光器的方 法，所述方法还包括以下步骤形成柱结构的步骤，在所述基板上形成柱结构，该柱结构至少从所述光学模式控制层延伸到所述电流限制层；以及形成导电部分的步骤，从所述柱结构的侧表面氧化所述电流限制层 的一部分，获得氧化区域包围的导电部分。
17、 根据权利要求15所述的制造方法，其中通过外延生长形成所述 下反射镜、所述有源层、所述电流限制层以及所述光学模式控制层。
18、 一种模块，所述模块包括 根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器； 电耦合到所述表面发射半导体激光器的电连接端子；以及 将从所述表面发射半导体激光器发射的光注入的光学部件。
19、 一种光源，所述光源包括根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器；以及辐照单元，其通过至少包含透镜或镜子的光学部件辐照从所述表面发射半导体激光器发射的光。
20、 一种数据处理装置，所述数据处理装置包括 根据权利要求18所述的模块；以及发送从表面发射半导体激光器发射的光的发送单元。
21、 一种光发送装置，所述光发送装置包括 根据权利要求18所述的模块；以及 发送从表面发射半导体激光器发射的光的发送单元。
22、 一种光学空间传输装置，所述光学空间传输装置包括 根据权利要求18所述的模块；以及在空间中传输从表面发射半导体激光器发射的光的传输单元。
23、 一种光学空间传输系统，所述光学空间传输系统包括 根据权利要求18所述的模块；以及在空间中传输从表面发射半导体激光器发射的光的传输单元。
全文摘要
本发明公开了表面发射半导体激光器及其制造方法。该表面发射半导体激光器包括基板，在所述基板上形成的下反射镜，在所述下反射镜上形成的有源层，在所述有源层上形成的上反射镜，在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成的光学模式控制层，以及在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成的电流限制层。所述有源层发射光。所述上反射镜在所述下反射镜和所述上反射镜之间形成谐振器。在所述光学模式控制层中，形成用于选择性吸收或反射在有源层中发射的光的开口。所述光学模式控制层在光学上控制激光的模式。所述电流限制层限制在驱动期间所施加的电流。
文档编号H01S5/183GK101304157SQ20081000366
公开日2008年11月12日 申请日期2008年1月17日 优先权日2007年5月11日
发明者铃木贞一, 长尾太介 申请人:富士施乐株式会社