表面发光半导体激光元件的制作方法

专利名称：表面发光半导体激光元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面发光半导体激光元件以及以单峰横向模式(single-peak 1ransv6rs6 mode)发射;敫光的方法。
背景技术：
表面发光半导体激光元件以垂直于衬底表面的方向发射激光，是应用 于各种领域的非凡的光源。
表面发光半导体激光元件具有半导体衬底、在衬底上的包括具有不同 折射率的化合物半导体的一对上下反射体，即衍射布拉格反射体(DBRs)，
以及在该对反射体之间构成发光区的有源层。
典型的，具有柱型台面结构(post-type mesa structure )的表面发光半导 体激光元件是具有电流限制区的上部DBR。例如，日本未审的专利申请公 开号No.2001-210908公开了 一种包括环形的柱型台面结构(post-type mesa s加cture)的表面发光半导体激光元件，其具有由干法蚀刻上部DBR而得 到的大约3 0 |a m的台面直径、以及通过选择性的氧化AlAs层以有效的将电 流到注入有源层中而形成的环形的柱型台面结构内的电流限制区。
参考上述日本专利申请及图12,将描述包括柱型台面结构(post-type mesa structure ) 的常规表面发光半导体激光元件。图12是示出了上述专利 申请中所公开的常规表面发光半导体激光元件的结构的截面图。
如图12所示，表面发光半导体激光元件80具有叠层结构，其顺序的 包括n型GaAs衬底82、包括n型半导体多层的下衍射布拉格反射体(以 下称"下DBR" ) 84、包括未掺杂的AlGaAs的下覆盖层86、发光层(有源 层)88、包括未掺杂AlGaAs的上覆盖层90、包括未掺杂AlGaAs的上衍射 布拉格反射体(以下称"上DBR" ) 92以及p型GaAs覆盖层94。
下DBR84具有半导体多层结构，该多层结构包括具有在异质界面上成 分梯度层的30.5对n型Ala2Gao.8As层和n型Al^Ga^As层。上DBR92具 有半导体多层结构，该多层结构包括具有在异质界面上成分梯度层的25对 p型Al0.2Ga0.8As层和p型Al。.9Gao」As层。
通过蚀刻覆盖层94、上DBR92、上覆盖层90、有源层88、下覆盖层 86和下DBR84形成圓柱形台面柱96。
在有源层88最靠近的侧面上的DBR92的化合物半导体层上形成p型 AlAs层，代替p型Alo.9Gao.,As层。选择性的氧化除中心环形区以外的p型 AlAs层中所含的Al,以提供氧化的铝电流限制层98。
保留在中心环形区上的p型AlAs层作为电流注入区98A，氧化的铝电 流限制层用作具有高电阻的绝缘区98B。
在台面柱96和下DBR84上形成SiNx膜100。 SiNx膜具有用于暴露p 型GaAs覆盖层94的开口 ，其通过环形地去除台面柱96的上表面上SiNx 膜100而提供。在开口的外围形成环形p侧电极(上电极)102。在n型GaAs 衬底82的相反表面上形成n侧电极(下电极)104。 P侧电极102具有抽出 电才及106。
参照图13A和13B,将描述制造表面发光半导体激光元件80的方法。 图13A与13B示出了表面发光半导体激光元件80的制造步骤的截面图。
如图13A所示，通过在n型GaAs衬底82上顺序的层叠下DBR84、包 括未掺杂的AlGaAs的下覆盖层86、有源层88、包括未掺杂AlGaAs的上 覆盖层90、上DBR92和p型GaAs覆盖层94形成叠层结构。
通过层叠在异质界面上具有成分梯度层的30.5对n型Ala2GaG.8As层和 n型Alo.9Ga。.,As层形成下DBR84。通过层叠在异质界面上具有成分梯度层 的25对p型Alo.2Gaa8As层和p型AlQ.9GaaiAs层构成上DBR92。
在形成上DBR之前，在最靠近或接近有源层88的侧面的上DBR 92 的化合物半导体层上形成p型AlAs层108代替p型Al。.9GaaiAs层。
如图13B所示，使用SiNx掩膜110,部分地蚀刻p型GaAs覆盖层94、 上DBR92、 AlAs层108、上覆盖层90、有源层88和下覆盖层86，直到露 出下DBR84的上表面，由此形成台面片主96。
在蒸汽气氛下在站(TC加热具有台面柱96的叠层结构大约25分钟，以 仅选择性的氧化从台面柱96的侧面至中心的p型AlAs层。
因此，形成电流限制层98。电流限制层98具有包括氧化的铝层的圓柱 形电流限制区98B，和包括未被氧化并保留的p型AiAs层108的环形电流 注入区98A。环形电流注入区98A4^电流限制区98B围绕。
在整个表面上形成SiNx膜100之后，环形地去除台面柱96的上表面 上的SiNx膜100,以露出形成环形p侧电极的p型GaAs覆盖层94。在n 型GaAs衬底82的相反表面上形成n侧电极104。结果，形成了常规表面 发光半导体激光元件80。
在包括柱型台面结构的表面发光半导体激光元件中，电流限制层98限 定将电流注入到有源层88中的路径断面。因此，电流集中的注入到电流限 制区98B周围的有源层88中，其导致有效的激光振荡。
典型的，常规表面发光半导体激光元件以多种模式的振荡，其为在远 场图(far-field pattern ) ( FFP )中具有多个峰的横向模式(transverse mode )。
为了提高光学连接效率，当表面发光半导体激光元件被透镜耦合至例 如通信领域中的光纤的光波导时，表面发光半导体激光元件以单峰横向模 式所希望的发射光束，即高斯分布模式。
在氧化型电流限制结构中，振荡激光的模式数目基本上与电流限制层 的面积成比例。因此，当电流限制层中的电流注入区增加时，可以在有源 层的窄区域中激发的单模式中发射光。
因此，在具有氧化型电流限制结构的常规表面发光半导体激光元件中， 当包括氧化的铝层的电流限制结构(电流注入区)的面积减小时，有源层 的发光区可能减小，并且光以单峰横向模式选择性的振荡。
为了提供单峰横向模式，电流限制结构的面积应该小到4"m或更小， 如M.Grabherr等在IEEE.Photo， Tech丄ett.Vo1.9， No.lO， p.1304中所报道。 但是，如果电流限制结构的面积是4Mm或更小，将产生如下问题。
首先，由于电流限制结构的尺寸非常的小，产生错误的容差变得有限。 因此很难形成具有小直径与良好可控性的电流限制结构的表面发光半导体 激光元件。同时，晶片的面内均匀度(in-plane uniformity)变得很差，导致 产量的大量下降。
其次，与典型的器件相比，电流流过减小了一个数量级的电流注入区(AlAs层)，由此元件的电阻变大，即100Q或更多。结果，电流和发光效 率输出较低。换句话说，由于输出取决于单峰横向模式，因此从单峰横向 模式的表面发光半导体激光元件难以提供高输出。
第三，由于由电流限制而引起的电阻增加，阻抗失配。如果试图在高 频下驱动表面发光半导体激光元件，高频特性会显著的降低。因此，很难 将表面发光半导体激光元件应用于如通信领域中所需的高频驱动的光传 播。
对于表面发光半导体激光元件中激光的横向模式控制，日本未审查的 专利申请No.2002-359432公开了例如通过处理发光表面来稳定横向模式的 方法。但是，该申请不是直接致力于单横向模式的稳定性，而是致力于高 阶横向模式的稳定性。
曰本未审专利申请No.2001-24277公开了相反于发光表面的反射表面 的提供一种反射率分布以稳定橫向模式。但是，由于光注入穿过衬底，因 此很难将该发明应用于表面发光半导体激光元件。此外，由于假定是质子 注入型，因此很难将该发明应用于氧化型电流限制结构。
日本未审的专利申请No.9-246660公开了 一种通过在激光内配置包括 环形的衍射格栅的透镜结构来稳定横向模式的方法。但是，由于化合物半 导体层必须再生长，因此工艺变得复杂。这些都是技术和经济方面的问题。
如上所述，使用常规技术，很难提供以单峰横向模式发射激光的表面 发光半导体激光元件。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种以单峰横向模式发射稳定的激光的表 面发光半导体激光元件。本发明的另一个目的是提供一种以高阶模式发射 稳定的激光的表面发光半导体激光元件及其制造方法。
通过重复各种研究试验，本发明人发现表面发光半导体激光元件的振 荡横向模式不仅受到如上所述的电流限制结构的面积的影响，而且还极大 的受到作为发光表面的台面柱的上表面的光学结构的影响。换句话说，横 向模式极大的取决于折射率分布和电极的形状。
元件，以确定台面柱的上表面结构与横向模式之间的关系。结果发现横向
模式极大的受到台面柱的上表面上的接触层上的电极结构和形状、折射率 以及半导体层的膜厚度，即接触层的影响。
通过深入的研究，本发明发现可以通过一种结构来提供以单峰横向模
式发射激光的表面发光半导体激光元件，该结构包括具有用来暴露上DBR 的第 一开口并且在上DBR上延伸的接触层、具有配置在第 一开口之内的用 来暴露上DBR的第二开口的金属膜形成的电极、以及在接触层与电极之间 的具有配置在第一开口之外的用来暴露接触层的第三开口的绝缘膜，如图 14A所示。在表面发光半导体激光元件中，电流注入区的杂质浓度高，该 区域的电流注入密度的均匀度得到提高。
在上面描述的上DBR的结构中，电极中的第二开口的外围区域、接触 层中的第一开口的外围区域，以及绝缘膜中第三开口的外围区域构成了复 数折射率分布(complex refractive index distribution )结构，其中复数折射率 自第二开口的中心向外各向同性的变化。可以通过复数折射率分布结构来 提供单峰横向模式。
换句话说，接触层与电极构成了复数折射率分布结构。
图14A示出了按照本发明的一个实施例的表面发光半导体激光元件的
主要部分的截面示意图。图14B是描述图14A所示的主要部分的功能的截
面示意图。
本发明的一个方面是提供一种表面发光半导体激光元件，包括 衬底，
配置在衬底上的包括半导体多层的下反射体， 配置在下反射体上的有源层， 配置在有源层上的包括半导体多层的上反射体，
具有用来暴露上反射体的第一开口并且在上反射体上延伸的化合物半 导体层，和
配置在第一开口内的具有用来暴露上反射体的第二开口并且在化合物 半导体层上延伸的金属膜，
其中金属膜和化合物半导体层构成复数折射率分布结构，其复数折射 率自第二开口的中心向外变化。
依据该表面发光半导体激光元件，在复数折射率分布结构中，复数折 射率自第二开口中心向外各向同性的变化。可以更容易的提供单峰横向模式。
本发明的另一方面是提供一种表面发光半导体激光元件，
包括
衬底，
配置在衬底上的包括半导体多层的下反射体， 配置在下反射体上的有源层， 配置在有源层上的包括半导体多层的上反射体， 在上反射体上延伸的具有暴露上反射体的第一开口的化合物半导体
层7和
金属膜，包括环形膜和岛状(island-like)膜，环形膜具有配置在第一 开口内的用来暴露上反射体的第二开口，环形膜在化合物半导体层上延伸， 岛状膜象岛一样配置在第二开口内的上反射体上，
其中金属膜和化合物半导体层构成复数折射率分布结构，其复数折射 率自第二开口的中心向外变化。
在上述方面的优选实施例中，表面发光半导体激光元件还包括配置在 第一开口外面的用来暴露化合物半导体层的第三开口 ，以及插入化合物半
导体层和金属膜之间的绝缘膜，金属膜、化合物半导体层和绝缘膜构成复 数折射率分布结构，其复凄t折射率自第二开口的中心向外变化。
在上述方面的特定实施例中，金属膜构成电极，化合物半导体层构成 与金属膜欧姆接触的接触层。在第 一开口之下配置在电流限制层中心形成 的电5危注入区。
按照本发明的一个方面的表面发光半导体激光元件包括三个部分的电 子结构化合物半导体层，即接触层；绝缘层；和电极，它们都被配置在 上DBR的发光表面上，如图14A所示。该电子结构也提供光学功能。
下面将描述与光学元件相关的上DBR上的结构。如图14B所示，接触 层具有第一开口，绝缘层具有第三开口。以环形形状延伸的接触层和在接 触层上以环形形状延伸的绝缘层形成台阶式(step-wise )。复数折射率自第 一开口中心变大，即发光表面的中心向外，其复数折射率分布结构起凹透 镜的作用。
在发光表面上形成由金属膜构成的电极，该电极具有比第 一开口小的 第二开口。电极具有光线从中通过的孔径，其复数折射率分布结构起凸透 并将金属的复数折射率考虑进去。
换句话说，在按照本发明的 一个方面的表面发光半导体激光元件中， 在发光表面上提供有凸透镜、吸收开口和凹透镜的组合光学系统。此外， 将组合光学系统配置在表面发光半导体激光元件的谐振器中并由此起到一 部分谐振器的作用。
在按照本发明的一个方面的表面发光半导体激光元件中，某种程度上 通过电流限制层选择激光谐振模式。具有宽发光角度的高阶模式下的光被 凹透镜发散、被吸收开口吸收以及被凸透镜聚合，如图14B所示。谐振器 的谐振条件由这种机理决定。通过将该条件与电流限制层的孔径的作用相 结合，强制的选择几乎一个模式，由此以单峰横向模式振荡。
按照本发明的 一个方面的精神，可以以各种横向模式控制表面发光半 导体激光元件，即高阶模式。
按照本发明的另一方面，将岛状金属膜配置在环形金属膜内，岛状金 属膜的形状基于本发明的 一个方面的相同精神而改变，以调节复数折射率 分布，由此表面发光半导体激光元件可由各种横向模式控制，即所需的高 阶模式。
具有第 一开口的化合物半导体层包括具有不同杂质浓度的多个层，
配置在各个化合物半导体层上的每个第 一开口具有从多个化合物半导 体层的上层至下层台阶式变小的的直径，以及
各个化合物半导体层的每一杂质浓度从多个化合物半导体层的上层至 下层逐渐的台阶式下降。
典型的，金属膜构成电极，化合物半导体层构成与金属膜欧姆接触的 接触层。
优选电流限制层具有位于中心的未氧化的电流注入区，将该未氧化的
电流注入区配置在第一开口下，具有5x 10"cm-3的杂质浓度，并具有均匀 的电流注入密度。上述组合光学系统可有效的起到部分谐振器的作用。
本发明的一种制造表面发光半导体激光元件的方法，包括步骤
在衬底上顺序的层叠包括半导体多层的下反射体、有源层、包括半导 体多层的具有高Al含量的层的上反射体，和接触层，
蚀刻具有高Al含量的层的上反射体以形成台面柱，
在台面柱的接触层上和侧面形成绝缘膜，
在接触层上的绝缘膜上形成开口以暴露接触层， 在接触层上形成比绝缘膜上的开口小的开口以暴露上反射体， 在上反射体和接触层上形成构成电极的金属膜，和 在金属膜上形成比接触膜的开口小的开口以暴露上反射体。 在上反射层上形成接触层的步骤中，形成多个接触层以使得每层的杂 质浓度台阶式下降或自上层至下层逐渐下降。
在接触层上形成比绝缘膜的开口小的开口以暴露上反射体的步骤中， 每一个接触层上形成开口 ，由于每层的杂质浓度台阶式下降或自上层至下 层逐渐的下降的因素，通过利用不同的蚀刻速率以使得每个开口的直径台 阶式减小或从上层至下层逐渐减小。这样，可以容易地形成复数折射率分 布结构。
在上反射层上形成接触层的步骤中，形成多层接触层以使得每一 Al成 分台阶式下降或自上层至下层逐渐下降。
在接触层上形成比绝缘膜上的开口小的开口以暴露上反射体的步骤 中，在每一接触层上形成开口，由于每一 Al成分台阶式下降或自上层至下 层逐渐的下降的因素，通过利用不同的蚀刻速率以使得每一开口的直径台 阶式减小或从上层至下层逐渐减小。因此，可容易的形成复数折射率分布 结构。
按照本发明的 一 个方面，通过形成复数折射率分布结构可提供以单峰 橫向模式发射激光的表面发光半导体激光元件，该复数折射率分布结构由 上反射体上的环形金属膜和化合物半导体层构成，其中复数折射率自金属 膜的开口的中心，即发光表面的中心向外变化。
当使用按照本发明的一个方面的表面发光半导体激光元件时，可有效 的简化与光纤和光波导连接的组合光学系统。此外，本发明的表面发光半 导体激光元件与常规端面发射型激光元件相比具有较小的发光角度，由此接。
本发明的以单峰横向模式发射激光的表面发光半导体激光元件可与石
英单才莫纤维(quartz single mode fibers)连接，这对常规表面发光半导体激 光元件是很难的。例如，当将本发明的表面发光半导体激光元件用于例如 红外的1.3jum波段和1.55)im波段的长波波段时，可以实现长距离的传播，
即数十公里以上的传播。
当将按照本发明的一个方面的表面发光半导体激光元件应用于由于成 本的原因几乎不使用组合光学系统的光学布线领域中时，可以提供高效率 的直接连接。因此，可有效的使用按照本发明的一个方面的表面发光半导 体激光元件。
按照本发明的另一个方面，通过在上反射体上形成由环形金属膜、岛 状金属膜和环形化合物半导体层构成的复数折射率分布结构，可提供以所 希望的高阶横向模式发射激光的表面发光半导体激光元件，其中复数折射 率自环形金属膜的开口的中心，即发光表面的中心，向外变化。
各种领域，包括需要各种发光模式的医药、机械加工或传感器领域。
按照本发明，还提供一种制造本发明的表面发光半导体激光元件的优 选方法。


图1是示出按照本发明的第一实施例的表面发光半导体激光元件的结
构的截面图2是图1中的表面发光半导体激光元件的顶-视图3A是示出按照本发明的第一实施例的表面发光半导体激光元件的
主要部分的截面图3B是描述对应于图3A的主要部分的功能的截面示意图4是示出按照本发明的第一实施例的表面发光半导体激光元件的远 场图(FFP)的曲线图5A是示出按照本发明的第二实施例的表面发光半导体激光元件的 制造步骤的截面图5B是示出按照本发明的第二实施例的表面发光半导体激光元件的 制造步骤的截面图6C是示出按照本发明的第二实施例的表面发光半导体激光元件的 制造步骤的截面图6D是示出按照本发明的第二实施例的表面发光半导体激光元件的 制造步骤的截面图7E是示出按照本发明的第二实施例的表面发光半导体激光元件的 制造步骤的截面图7F是示出按照本发明的第二实施例的表面发光半导体激光元件的制 造步骤的截面图8是示出按照本发明的第三实施例的表面发光半导体激光元件的结 构的截面图9是示出按照本发明的第三实施例的表面发光半导体激光元件的结 构的截面图10A是示出按照本发明的第四实施例的表面发光半导体激光元件的 结构的截面图10B是示出按照本发明的第四实施例的表面发光半导体激光元件的 结构的平面图1OC是按照本发明的第四实施例的横向模式的波形；
图12是示出常规表面发光半导体激光元件的结构的截面图； 图13A是示出常规表面发光半导体激光元件的制造步骤的截面图； 图13B是示出常规表面发光半导体激光元件的制造步骤的截面图； 图14A是示出"l妄照本发明的一个实施例的表面发光半导体激光元件的 主要部分的截面示意图；和
图14B是描述图14A中的主要部分的功能的截面示意图。
具体实施例方式
参照附图将更为详细的描述本发明。下列的实施例中引用的导电类型、 膜的类型、膜厚度、膜的形成方法、尺寸等等将用来帮助理解本发明，不 解释为限制其范围。
实施例1
图1示出了按照本发明的表面发光半导体激光元件的截面图。图2是 表面发光半导体激光元件的顶视图。图3A是示出表面发光半导体激光元件 的主要部分的截面示意图。图3B是说明对应于图3A的主要部分的功能的 截面示意图。 如图l所示，表面发光半导体激光元件10包括叠层结构，该结构顺序
的包括n型GaAs衬底12、包括n型半导体多层的下衍射布拉格反射体(以 下称"下DBR" ) 14、 Al0.3Gao.7As下覆盖层16、 GaAs发光层(有源层)18、 Al0.3Gaa7As上覆盖层20、包括p型GaAs覆盖层的上衍射布拉格反射体(以 下称"上DBR" ) 22，和具有膜厚度为150nm的杂质浓度为5 x 1018cm-3的 p型GaAs接触层24。
下DBR 14具有约4Mm的总膜厚度的半导体多层结构，包括35对n 型AlAs层和n型GaAs层。上DBR22具有大约3 jum的总的膜厚度的半导 体多层结构，包括25对p型Al0.9GaaiAs层和p型AlalGa0.9As层。
通过蚀刻接触层24、上DBR 22、上覆盖层20、有源层18、下覆盖层 16和下DBR 14,形成具有40|im台面直径的圓柱形台面柱26,如图1和 2中所示。
在上DBR22中的有源层18上，配置氧化的电流限制层28，代替p型 Alo.9GacuAs层。AlAs层28具有30nm的膜厚度，并包括具有12 ju m直径的 配置在中心的环形AlAs层28A和配置在环形AlAs层28A周围的氧化的铝 层28B。
AlAs层28A是替代p型Alo.9Gao.,As层形成的p型AlAs层。通过选择 性的氧化p型AlAs中的Al来形成氧化的铝层28B。氧化的铝层28B具有 高电阻并起到电流限制区的作用，而起电流注入区作用的环形AlAs层28A 具有比氧化的铝层28B低的电阻。
在台面柱26上，接触层24具有位于中心的20 ju m的内径的第 一开口 30。接触层24是环形的，以通过第一开口 30暴露上DBR22。
绝缘层，即具有300nm膜厚度的Si02膜32,在接触层24的外围、台 面柱26的侧面和下DBR 14上延伸。接触层24上的Si02膜32具有环形的 第三开口 34,该开口具有比第一开口 30大的35jum的内径以暴露接触层 24。
具有500nm的膜厚度的包括Ti/Pt/Au金属层叠膜的p侧电极36在上 DBR22、接触层24和包括Si02膜32上延伸，并在上DBR 22上具有环形 第二开口 38，该开口具有14|im的内径以暴露出上DBR22。
如图2所示，AlAs层(电流注入区)28A具有比p侧电极36的第二开 口 38稍小的直径。AlAs层28A具有12jum的直径，p侧电极具有14|am
的内径。
在n型GaAs衬底12的相反表面，形成包括AuGe/Ni/Au的n侧电极40。
图3示意性的示出了上DBR22的光学元件。在表面发光半导体激光元 件10中，位于上DBR22上的接触层24、 Si02膜32和p侧电极36提供电
学和光学功能。
如图3A所示，以环形形状延伸的具有第一开口 30的接触层24和在接 触层24上以环形形状延伸的具有第三开口 34的Si02膜32形成台阶式。因 此，复数折射率自第一开口 30的中心，即发光表面的中心，向外各向同性 的增加。如图3B中所示，其提供起到凸透镜作用的复数折射率分布结构。
具有第二开口 38的p侧电极36具有光从中穿过的孔径。如图3B所示， 由于p侧电极36中的金属提供复数折射率，p侧电极提供与具有吸收开口 44和凸透镜46的复数折射率分布结构相似的光学功能。
例如，金(Au)具有用于0.85 iam波长的激光的0.2的实部折射率 (real-part refractive index)和5.6的虚部(imaginary-part)(吸4欠系凄丈)4斤 射率。
在表面发光半导体激光元件10中，具有第一开口 30的接触层24具有 比开口大的折射率。具有第二开口 38的p侧电极36具有比开口大的吸收 系数。
在发光表面上提供具有凸透镜46、吸收开口 44和凹透镜42的组合光 学系统。此外，将组合光学系统配置在表面发光半导体激光元件IO的谐振 器上，以此起到部分谐振器的作用。
在表面发光半导体激光元件10中，某种程度上通过电流限制层28的 电流限制作用选择激光谐振模式。具有宽发光角度的高阶模式下的光在凹 透镜42中被发散，在吸收开口44中被吸收，在凸透镜46中被聚集，如图 3B所示。
通过将该条件与电流限制层28的孔径作用相结合，强制性的选择几乎 一个模式，因此以单峰横向模式振荡。
当光学输出增大时，通过凸透镜46、吸收开口 44和凹透镜42以及电 流限制层28的孔径强制性的选择几乎一个模式，尽管光以多个横向模式振 荡，由此多个横向模式变为单峰横向模式。
测量由使用以下描述的方法制造的表面发光半导体激光元件10的半峰
全宽(FWHM)。如图4所示，FWHM为5.5。，其为具有大约4 ju m的收缩 直径的常规表面发光半导体激光元件的一半或更小。因此，表面发光半导 体激光元件IO处于单峰横向模式。图4是示出表面发光半导体激光元件10 的远场图(FFP)的曲线图。图形中，H与V波形是彼此垂直的平面中照射 光束的强度分布。
实施例1中，接触层24、 Si02膜32和p侧电极36形成台阶形状，由 此形成自第二开口 38的中心，即发光表面的中心，向外变化的复数折射率， 以提供单峰横向模式。
表面发光半导体激光元件10可提供与由常规多模式表面发光半导体激 光元件提供的光学输出大致相同级别的光学输出。由于表面发光半导体激 光元件IO具有与常规多模式表面发光半导体激光元件相同的电结构，因此 表面发光半导体激光元件10具有大致相同级别的电阻和阻抗。
表面发光半导体激光元件IO以单峰横向模式发射激光，使得表面发光 半导体激光元件10可被光学的藕接到具有高光学连接效率的实际光纤上。
实施例2
图5A、 5B、 6C、 6D、 7E和7F是示出按照本发明制造表面发光半导 体激光元件的步骤的截面图。
如图5A所示，使用MOCVD法等方法，在n型GaAs衬底12上顺序 的层叠下DBR 14、下覆盖层16、发光层(有源层)18、上覆盖层20、上 DBR 22和p型GaAs接触层24。
在形成上DBR22之前，在最靠近有源层18的侧面的上DBR22的层上 形成替代p型Alo.9GacuAs层的具有30nm膜厚度的AlAs层。
如图5B所示，通过使用氯基气体干法蚀刻的方法蚀刻接触层24、上 DBR22、上覆盖层20、有源层18、下覆盖层16和下DBR 14,以形成具有 40 |i m的台面直径的柱形台面柱26。
具有台面柱26的叠层结构在40(TC的蒸汽气氛下加热以选择性的氧化 AlAs层28中的仅从台面柱26的外围至内侧的Al,在中心保留具有U"m 直径的环形AlAs层28A，在AlAs层28A周围配置氧化的铝层Z6B。这样， 形成电流限制层。
如图6C所示，在台面柱26的接触层24、台面柱26的侧面和下DBR 14
上形成Si02膜32。
如图6D所示，蚀刻Si02以提供具有35jum内径的开口 34。
如图7E所示，蚀刻在开口 34上暴露的接触层24以提供具有20 jam
内径的开口 34。
如图7F所示，在台面柱26上形成Ti/Pt/Au金属层叠膜39。
此外，蚀刻金属层叠膜39以提供开口 38，由此形成p侧电极。当将n
型GaAs衬底12研磨至预定厚度之后，在n型GaAs衬底12的相反表面形
成n侧电极40。因此，形成如图1所示的表面发光半导体激光元件10。 由上所述，除了接触层24和p侧电极的尺寸之外，可使用与常规表面
发光半导体激光元件相同的工艺制造表面发光半导体激光元件10。 实施例3
图8示出了按照本发明的另一替换的表面发光半导体激光元件的截面图。
主要部分50相似的结构，除了接触层52和p侧电极54具有不同的结构。
如图8所示，接触层52包括三层上接触层52A,中间接触层52B和 下接触层52C。各个接触层的杂质浓度自上接触层至下接触层台阶式的逐渐 下降。
例如，下接触层52C具有5 x 1018的杂质浓度，其在三个接触层中最低， 并具有最大的开口 56C。中间接触层52B例如，具有1 x 1019的杂质浓度， 其比下接触层高，比上接触层低,并具有比下接触层的开口 56C小、比上 接触层的开口 56A的开口大的开口 56B。上接触层52A具有例如，3 x 1019 的杂质浓度，其在三层中最高，具有三个接触层中最小的开口 56A。
P侧电极54也形成为台阶式，以便与接触层52A、 52B和52C以及开 口 56A、 56B和56C相一致。
按照接触层52和p侧电极54的结构，形成有效的复数折射率分布结 构以提高光束的聚焦，由此可更加容易的提供单峰横向模式。
由上所述，形成接触层52以使得三个层各自具有台阶式形状的开口 。 特别是，将蚀刻掩膜58配置在具有低杂质浓度的上接触层^A上，如图9 所示。在相同的蚀刻条件下对三个接触层52A、 52B和WC进行干法蚀刻。 由于不同的杂质浓度导致的蚀刻速率不同，在三个接触层52A、 52B和52C上形成具有所希望尺寸的开口 56A、 56B和56C。
替换地，可形成三个接触层，以使得Al的成分从上接触层至下接触层 台阶式的下降。在相同的蚀刻条件下对三个接触层52A、 52B和52C进行 干法蚀刻。由于不同的Al的成分导致的蚀刻速率不同，因此在三个接触层 52A、 52B和52C上形成其具有从上接触层至下接触层的台阶式变小的直径 的开口 56A、 56B和56C。
实施例4
图IOA和IOB是分别示出按照本发明的在高阶模式下振荡的表面发光 半导体激光元件的结构的截面图和平面图。图10C是横向^^莫式的波形。
表面发光半导体激光元件以TE。，模式发光(圓环状发光图)(donut-like light emission pattern )。如图10A与IOB所示，表面发光半导体激光元件包 括作为主要部分60, —包含如实施例1中的经环形发光窗66配置的环形 中心电极64和环形电极68的p侧电极。
表面发光半导体激光元件具有与实施例1中的表面发光半导体激光元 件10相似的结构，除了 p侧电极62具有不同的结构以外。
接触层24和p侧电极62提供与以单个模式振荡的表面发光半导体激 光元件10中描述的复数折射率分布结构相同的效应。抑制比所需的高阶模 式低的单一基本模式，同时抑制比所需高阶模式高的模式。
在本实施例中，由金构成的配置在发光表面中心的环形中心电极64吸 收并抑制基本模式。使用电流限制层28 (图1所示)的孔径与复数折射率 分布结构中的接触层24的凹透镜发散比TE(H模式高的该模式。因此，以 TE(H模式选择性的发射光。
只要将电流限制层的收缩直径设置为切断横向模式而不是TEQ1模式， 则TEo,模式的选择性可进一步提高。
对于常规高阶模式的控制，例如日本未审的No.2002-359432专利申请 公开了一种选择模式的方法，该方法通过在台面表面上形成具有1/2波长或 1/4波长的深度的凹槽(或凸凹形状)以排除任何非所需的激发模式或包括 所需的模式。
但是，尽管使用例如离子束蚀刻的后加工可将某些功能加到台面上， 但是器件只能一个接一个加工，因此减小了生产效率，并且凹槽的深度， 确切的说千涉光学路径不同，必须精确限定，即使器件被图形化蚀刻。因
此，这种常规半导体激光可能不会应用于商用器件。
相反，按照本发明可通过在谐振器的最上侧面提供复数折射率分布结 构来选择激光谐振模式。此外，在典型生产工艺中，不增加任何步骤，可 通过调节台面的、绝缘膜的或电极上的化合物半导体层的折射率或形状来 提供复数折射率分布结构。复数折射率分布结构的各部分可制造为典型表 面发光半导体激光元件所需的精确度。不需要高精确的生产工艺。依据本 发明目前可用的普通工艺精确度足以制造复数折射率分布结构。因此，可 具有良好重复性地制造复数折射率分布结构。
比4交实施例
图11是示出比较的表面发光半导体激光元件的结构的截面图。
比较的表面发光半导体激光元件包括作为主要部件70，随机将光散 射到台面的上表面的散射结构，具有精细的凸凹表面的接触层72。
接触层72的凸凹表面的散射影响振荡模式。多种模式随机地振荡。由 此发射的光包括多种模式，导致随机的发光图形。
权利要求
1.一种制造表面发光半导体激光元件的方法，包括步骤在衬底上顺序地层叠包括半导体多层的下反射体、有源层、具有高Al含量层的包括半导体多层的上反射体，和接触层，其中在所述上反射体中，所述高Al含量层布置得最靠近所述有源层，蚀刻所述接触层、所述上反射体、所述有源层和所述下反射体以形成台面柱，在所述台面柱的接触层上和所述台面柱的侧面形成绝缘膜，在所述接触层上的所述绝缘膜上形成开口以暴露所述接触层，在接触层上形成比所述绝缘膜的开口小的开口以暴露所述上反射体，在所述上反射体和接触层上形成构成电极的金属膜，和在所述金属膜上形成比所述接触膜上的开口小的开口以暴露所述上反射体。
2. 根据权利要求1的制造表面发光半导体激光元件的方法，还包括步骤在形成台面柱的步骤之后，在蒸汽下氧化台面柱的具有高Al含量的层 以保留具有高Al含量的层的中心区作为第一电流注入区，该第一电流注入 区包括未氧化的高Al含量的层，和围绕电流注入区形成包括氧化的铝层的电流限制区。
3. 根据权利要求l的制造表面发光半导体激光元件的方法，其中在上 反射层上形成接触层的步骤中，形成多个接触层，以使得每一层的杂质浓 度从上层至下层台阶式的或逐渐的降低，其中在接触层上形成比绝缘膜的 开口小的开口以暴露上反射体的步骤中，由于每一层的杂质浓度从上层至下层台阶式的或逐渐的降低的因素，因此通过利用不同的蚀刻速率，在每 一层接触层上形成开口 ，使得每一个开口的直径从上层至下层台阶式的或 逐渐的减小。
4. 根据权利要求1的制造表面发光半导体激光元件的方法，其中在上 反射层上形成接触层的步骤中，形成多个接触层，使得每一A1成分从上层 至下层台阶式的或逐渐的降低，其中在接触层上形成比绝缘膜的开口小的 开口以暴露上反射体的步骤中，由于每一层的Al成分从上层至下层台阶式 的或逐渐的降低的因素，因此通过利用不同的蚀刻速率，在每一层接触层 上形成开口 ，使得每一开口的直径从上层至下层台阶式的或逐渐的减小。
全文摘要
一种表面发光半导体激光元件，包括衬底、配置在衬底上的包括半导体多层的下反射体、配置在下反射体上的有源层、配置在有源层上的包括半导体多层的上反射体、具有暴露上反射体的第一开口并且在上反射体上延伸的化合物半导体层，以及配置在第一开口的内部的具有暴露上反射体的第二开口并且在化合物半导体层上延伸的金属膜，其中金属膜与化合物半导体层构成其复数折射率自第二开口的中心向外变化的复数折射率分布结构。还提供一种制造以单峰横向模式发射激光的方法。
文档编号H01S5/00GK101355233SQ20081012727
公开日2009年1月28日 申请日期2004年5月19日 优先权日2003年5月19日
发明者山内义则, 成井启修, 渡部义昭, 田中嘉幸, 黑水勇一 申请人:索尼株式会社