專利名稱：對垂直腔表面發射激光器的導電結構進行改進的裝置和方法
技術領域：
本發明關于垂直腔表面發射激光器(“VCSEL”)。更具體地，本發明關于具有改進導電性的VCSELs及其制造和工作(operation)方法。
背景技術：
垂直腔表面發射激光器(“VCSEL”)是二維陣列應用，如光學掃描儀、顯示器、計算機互連、信號處理和光學數據儲存中的理想光源。VCSELs也被應用作為計算設備、激光打印機、消費電子系統、有源光學部件和通訊應用中的光源。與其它半導體激光技術如邊射型激光器相比，VCSELs由于發射的光具有圓形消像散的光束，并且角發散性相對有限，因而成為日益首選的激光器。另一方面，來自邊發射型激光器的激光束往往是非對稱的。此外，VCSELs優于邊發射型激光器，原因是VCSEL的光輸出從結構的頂部以垂直于半導體基底即晶片的光束形式出現。這一構造有利于有成本效益的晶片規模的測試和激光陣列設備的生產，這樣的激光陣列設備在通訊系統中成為日益普遍的設備形式。
當輸出功率被限制到典型為小于1毫瓦(MW)時，傳統的VCSELs典型地產生了高斯輸出光強度分布。當在較高的功率水平下操作該類VCSEL時，設備表現出多模式工作，而光輸出強度圖形降為多模式的圓環形分布。通常用透鏡來聚集VCSEL的輸出，將光接入光纖或波導中，但是當VCSEL在多模式范圍內工作時，這些透鏡的效率受到了限制。
在當今許多通訊應用中，要求VCSELs在單模式下工作。單模式工作(single mode operation)中的光和電功率效率降低工作成本以及復雜化的熱耗散。隨著通訊系統的技術改進增加了對更高密度的集成VCSEL陣列的需要，熱耗散變得日益重要。因此，VCSEL設計者們力爭生產出這樣的激光器，其在強調單模式工作的同時將較高的模式輸出降為最低。
圖1顯示傳統VCSEL的側剖視圖。傳統的VCSEL結構10包括半導體基底30、設置于半導體基底30頂部的垂直激光器腔體40，以及兩個金屬接觸件20、25。金屬接觸件20、25通常具有不透明的性質，它們將整個基底和垂直激光器腔體結構夾在中間，一個接觸件位于垂直激光器腔體40的頂部，而另一個位于半導體基底30的下面。金屬接觸件25為環形的，從頂上觀察時，類似于圓環或橢圓環。
垂直激光腔40進一步包括n-分布式布拉格反射體(DBR)區42、p-DBR區46、夾在此兩DBR區42、46之間的激光激活區(active lasingsection)44，以及環繞p-DBR區46的中間部分47的非導電性注入材料48。非導電性注入材料48形成VCSEL結構10的導電性邊界壁50。包括兩個部分的圓筒限定了筒體區(barrel region)52。第一部分包括中間部分47。第二部分包括激光激活區44，其與中間部分47同軸排列，并具有與中間部分47基本相同的截面形狀。此筒體區52的直徑為直徑60。
在工作中，光從激光激活區44發射出來。一部分光能首先穿過筒體區52，然后穿過由不透明的上部金屬接觸件25限定的開口/開孔65。根據需要限定筒體區的直徑60，以使上部的金屬接觸件25和筒壁之間具有良好的導電性。由于VCSEL結構10的非導電性邊界壁在金屬接觸件20和25之間并不傳導電流，因而這是可靠的。對直徑的限定通常通過形成金屬接觸件突出70而實現，該金屬接觸件突出70是位于VCSEL結構10的頂部的金屬接觸件25的延伸部分。結果是，VCSEL結構10頂部之上的金屬接觸件25懸突于筒體區。由金屬接觸件突出70限定的開口/開孔65設定了傳統VCSEL結構10的開孔直徑。因此，傳統VCSEL結構10的設備開孔必定小于筒體區52的直徑60。
金屬接觸件突出70阻止光從筒體區52發出，并因此限制了輸出能量。金屬接觸件突出70也造成向筒體區52進行的電流傳輸低效。VCSEL結構10的電流將環繞(hug)激光器的壁流動，并在沿著VCSEL結構10的長度上導致促發單模式工作的激光活性(lasing activity)較小。
由上部的接觸件突出70引起的對VCSEL結構的另一個挑戰是反向散射，其增加了前述的金屬接觸件突出70的無效性。上部的金屬接觸件突出70阻擋一部分輸出光，并將光反射回到激光器的筒體之中。這一反射或反向散射的光積極地妨礙了筒體區內輸出的光，并產生了對導致不需要的多模式輸出起到重要貢獻的駐波圖形。反向散射的影響導致多模式的環形輸出強度圖形，這種多模式的環形輸出強度圖形是標準VCSEL的特性。
一些VCSEL制造者們已經通過濾除或阻止較高模式工作而尋求降低多模式輸出的方法。空間吸收濾波器和/或相移濾波器被整合到這類VCSEL中。此類VCSEL的一個例子在專利號為6144682的美國專利中有所描述。圖2顯示專利號為6144682的美國專利中所描述的VCSEL的側剖視圖。這一VCSEL顯示了為減少從VCSEL的激光激活區144發射出的光的較高級橫模發生模式反射而所作出的努力。通過采用位于p-DBR區146和上部的金屬接觸件125之間的較厚或較薄的空間吸收性和相移濾波器半導體層182、180而完成。VCSEL進一步利用半透明的導電性氧化銦錫層190幫助電流流過p-DBR區146而進入激光激活區144。然而，仍然要求上部的金屬接觸件125延伸進入VCSEL的筒體區，如區170所示，以提供從上部的金屬接觸件125流入筒體區的平滑電流。與圖1類似的是，由上部的金屬接觸件125所限定的開口的直徑165小于由非導電性注入材料148所限定的筒體區的直徑160。因此，輸出的光受到了阻擋，并發生了不希望的反向散射。盡管濾光結構能在一定程度上補償不希望的多模式輸出，圖2所示的VCSEL不利于單模式工作。

發明內容
本發明的幾個方面涉及對VCSEL的導電結構進行改進的裝置和方法。將高摻雜的半導體材料層(layer of heavily doped semiconductormaterial)置于位于VCSEL結構頂部的分布式布拉格反射器(DBR)的頂面上。此材料提供了電流傳導并使電流散布穿過并進入激光器筒體。與筒壁相比，在激光器筒體區中心處的電流增大，這有利于單模式光的產生。高摻雜的半導體層還消除了妨礙輸出能量增長的導電性接觸件突出。因為不需要導電性接觸件突出，散射光不會被反射回激光器的筒體區內，使多模式光誘發效應最小化。這一特征導致發射效率的改進，以及激光器結構的直徑更小，這樣的結構有利于單模式光在校高的功率下工作。


圖1顯示第一種傳統VCSEL的側剖視圖；圖2顯示第二種傳統VCSEL的側剖視圖；圖3圖解說明根據本發明的實施例的VCSEL的側剖視圖。
具體實施例方式
本發明的實施方式涉及用于改進VCSEL中發射端的導電結構的裝置和方法。在一個實施例中，在VCSEL激光器的筒體上再生長高摻雜的半導體層，以提供電流傳導并使電流散布穿過并進入激光器筒體的開孔。由于高摻雜的半導體層，因此相對于筒壁，激光筒體中心處的電流增加。這樣的電流分布增加了激活區(active region)中心處的光產生效率，其中激活區的中心處有利于產生單模式的光。高摻雜的半導體層也去除了對導電性接觸件懸突于VCSEL筒體部分的需要，也因此最小化了光散射效應，如果筒體部分存在導電性接觸件突出，就會出現這種散射效應。此外，本發明的實施方式使減小VCSEL的直徑成為可能，這進一步有利于以較高的驅動電流和輸出功率進行單模式工作。
圖3圖解說明根據本發明一個實施例的VCSEL結構200的側剖視圖。在該實施例中，VCSEL 200包括導電性下部接觸件210、導電性上部接觸件215、基底220、形成于基底220之上的多個半導體層，以及高摻雜的半導體層280。在一個實施例中，一個或多個半導體層構成了下部DBR 230，一個或多個半導體層構成了激活區240，以及一個或多個半導體層構成了上部DBR 250。非導電性離子注入區255進一步限定了上部DBR 250的導電性邊界。
在一個實施例中，高摻雜的半導體層280為砷化鎵(GaAs)再生長層。也可采用其它類型的材料，包括但不限于氮化銦鎵(InGaN)、砷化鋁鎵(AlGaAs)，以及氧化銦錫(ITO)。圖3中，高摻雜的半導體層280位于DBR 250和導電性上部接觸件215之間。高摻雜的半導體層280使足夠的電流散布通過和進入用于工作的整個激光器的開孔，并且不再需要會阻擋輸出光的導電性接觸件突出。
VCSEL結構200為單塊(monolithic)激光器，其可通過例如本領域公知的金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)工藝等技術進行制造。也可采用其它的沉積工藝如液相外延法(“LPE”)、分子束外延法(“MBE”)，或其它公知的晶體生長工藝。在具有n-型基底的此實施例中，VCSEL結構200包括由砷化鎵構成的基底220，該基底厚約100微米，并摻雜有硅。在采用相對不常用的p-型基底時，用碳作為摻雜物。
下部DBR 230沉積于基底220上。DBRs的結構和實現方法是本領域公知的。在一個實施例中，下部的DBR 230包括多個成對且具有不同鋁含量的AlGaAs層，從而形成具有高低交替的折射率的層。也可使用其它類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，已知由磷化銦(InP)和磷化銦鎵砷(InGaAsP)構成的交替層是生產DBR的有效材料，該DBR在長波波長如1.3微米的光范圍內有效。優選地，每一層厚度為四分之一波長，其中每一層處的工作波長是VCSEL200的發射光的波長。
在下部的DBR 230上沉積激活區240。在一個實施例中，激活區240包括鋁濃度含量各不相同的數層AlGaAs，其中所包括的中心層(未示出)中不含鋁。或者可采用本領域技術人員所公知的其它類型的材料，也可采用單層排列以形成激活區240。上部DBR 250沉積于激活區240之上。上部DBR 250包括頂面252、外壁254和底面256。在一個實施例中，上部DBR 250包括鋁濃度各不相同的多層AlGaAs。優選地，每一層厚度為四分之一波長，每一層處的工作波長是VCSEL 200的發射光的波長。
通過深層注入(deep implantation)例如H+、He+或O+離子穿過由本領域技術人員公知的遮蔽(masking)技術形成的上部DBR 250的頂面252，在上部DBR 250中形成了非導電性離子注入區255。
離子注入區255形成激光器筒壁257，用于在電學上和光學上限定VCSEL200的垂直激光器腔體。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。激光器筒體區259包括非注入部分258和激活區240中直接位于非注入部分258下面的那一部分。
在這個實施例中，離子注入區255的形狀基本為環形的，并環繞在上部DBR 250的非注入部分258的周圍。非注入部分258的直徑260限定了激光器筒體和激光器腔體的直徑。
盡管以上舉例說明了環形構造的離子注入區255，應注意的是只要離子注入區255限定和形成了上部DBR 250的導電性邊界，則離子注入區255就可以為其它的形狀。
在圖3中，高摻雜的半導體層280沉積在上部DBR 250的整個頂面252之上。因此，高摻雜的半導體層280跨越激光器筒體的直徑并延伸覆蓋了整個上部DBR 250。
構成層280的高摻雜的半導體材料對VCSEL 200的輸出是基本透光的，并且由允許電流導入上部DBR 250的非注入部分258中的材料組成。此類材料可包括GaAs、InGaN、AlGaAs或其它基于上部DBR 250中的材料而選擇的材料，選擇和摻雜這類材料使電流包括了本領域技術人員所公知的參數。
高摻雜的半導體層280提供與上部接觸件215的所需物理接觸，同時摻雜提供上部接觸件215和筒體區259之間的所需導電性。高摻雜半導體層280的摻雜在VCSEL 200的開孔上施加了基本平滑的電流分布。因此，載流子(chanrge carrier)平穩地流過激光器筒體的中心和激光器中有利于單模式工作的激活區240的中心。
在一個實施例中，高摻雜的半導體層280是由首先在上部DBR 250上形成一層，然后高摻雜該層以產生高摻雜的半導體層280而生成的。或者，可在上部DBR 250上直接沉積預先摻雜過的材料。
對于構建相似的構造還有其它的方式。例如，首先形成GaAs再生長層，然后在采用n-型基底的情況下以碳(C)、鋅(Zn)或鈹(Be)摻雜該再生長層。根據所采用的材料或所需的特性，可采用其它的摻雜物提供類似的好處。例如，如果設備具有p-型基底，可用硅作為備選摻雜物。
應該注意到高摻雜的半導體層280不限于包括VCSEL的保護層(cap layer)的相同化合物半導體的高摻雜樣品。在其它實施例中，高摻雜的半導體可為任何在保護層——如GaAs、AlGaAs和InGaN的頂部生長的點陣匹配(lattice-matching)或偽晶半導體層。此外，可采用透明金屬層——如氧化銦錫層補充高摻雜的半導體層，以提高單模式VCSELs的高功率操作性。
高摻雜的半導體層280應該足夠薄，以使能量吸收最小化。優選地，高摻雜的半導體層280的厚度等于或基本等于預期VCSEL輸出光的四分之一波長的奇數倍。在這種情況下，高摻雜的半導體層280有利于相干光(coherent light)傳播，并有助于光反射進入激光器筒體內。結果是，高摻雜的半導體層280成為上部DBR 250的頂層。在這一當前的實施例中，厚度至少與輸出波長的四分之三相當的高摻雜半導體層280被證明是不會導致不希望的光吸收也不存在實際制造困難的DBR 250的有效部件。其它的厚度，如四分之五波長，四分之七波長，四分之九波長等都是有效的。
導電性上部接觸件215形成于高摻雜的半導體層280之上。導電性接觸件也可被稱為接觸層或設備電極。高摻雜的半導體層280提供與上部接觸件215的電接觸和物理接觸，并提供從上部接觸件215流入VCSEL 200的筒體區內的有效電流。高摻雜的半導體層280中的摻雜確保從上部接觸件215流入VCSEL設備的電流將有效地流過和進入激光器筒體區259的整個開孔。
由于高摻雜的半導體層280的存在，無須提供覆蓋導電性上部DBR 250的部分，即懸突于激光器筒體的部分。換句話說，形成的上部接觸件215沒有阻礙激光器筒體區發出的輸出光和限制激光器直徑的任何限定開孔(aperture-limiting)的突出。因此，通過具有高摻雜的半導體層280和直徑為直徑265的上部接觸件215的VCSEL結構200，使圖1和2所示的傳統上部導體構造中的許多障礙物得以避免。
在與導電性上部接觸件215相對的一側，導電性下部接觸件210形成于基底220之上。下部接觸件210從下部DBR 230的相對側上形成。
上部和下部接觸件210、215兩者都可采用本領域公知的遮蔽技術形成。在一個實施例中，上部和下部接觸件210、215優選由金屬制成，例由如金、鈦、金/鍺等制成。也可采用已知用于此類用途的其它類型材料。
遮蔽上部接觸件215形成了具有直徑265的開口。開口的直徑265大于激光器筒體區259的直徑，即直徑260，直徑260是通過上述生成離子注入區255而在上部DBR 250內形成的。對高摻雜半導體層280進行充分摻雜，使電流從位于非導電性激光器筒壁257邊緣之上的上部接觸件215流入筒體區259而無需接觸件突出。
在工作中，當施加電壓穿過上部和下部接觸件210、215時，隨著光子在兩個DBRs 230、250之間來回疾馳，在激活區240內產生激光發射。當被施加偏壓時，從激活區240產生光。一部分光能穿過上部DBR 250并穿過由上部接觸件215限定的開口。由于VCSEL 200不包括圖1和2中所示的傳統VCSELs的接觸件突出，非注入部分258的直徑260，其也是激光器筒體區259的直徑，限定了激光器筒體以及激光器腔體的開孔直徑。因此，上部接觸件215不妨礙任何產生于激光器筒體區之中的輸出光。進一步地，上部導體215基本上不散射任何光回到激光器筒體區中，這樣的光能誘發多模式光產生。最后，由于上部接觸件215未限定激光器筒體區的開孔，因此上部導體215并不決定激光器筒體的最小直徑。
對于提供了改進VCSEL中發射端處導電結構的裝置和方法的本發明的實施方式，其所具有的許多優點是固有的。采用提供了與導電性上部接觸件的所需物理和電連接的導電結構來減少阻塞，同時無需接觸件從筒體區頂部突出，從而使光輸出效率得到提高。這是通過聯合采用高摻雜半導體層和非懸突型的導電性上部接觸件而實現的，這消除了由圖1和2中所示的傳統VCSEL的導電結構所造成的光學開孔阻擋。高摻雜半導體層280也使較多的電流散布越過激光器開孔的橫截面并通過激活區，這有利于通訊系統開發者們所偏愛的單模式工作的產生。
取消了對阻光性金屬接觸件突出的需要并通過利用高摻雜半導體層，實現了自然地有利于單模式工作的VCSEL。自然有利的單模式工作型VCSEL本質上就更有效，并且由于其花費較少的能量用于產生不希望的較高模式光，并且制造此類VCSEL復雜性較低，因此在商業上更為理想。特別是，構造此類VCSEL的制造方法通過減少生產步驟而得以簡化。例如，根據本發明實施例的VCSELs的結構不僅消除了由接觸件突出產生的問題，其所要求的制造步驟也比圖2所示的現有技術的VCSEL少。因此，實現了更大的效率。
取消上部金屬接觸件懸突于激光器筒體區的另一個優點是能制造筒體直徑小于圖1和2所示的現有技術中VCSEL結構的本發明的VCSEL。由于具有較窄的激光器筒體區，本發明的VCSEL可制造成用于提供優異的單一模式性能和效率，即以相對較高的功率進行單一光學模式發射。例如，以新的上部接觸件設置而實現的直徑小于10μm的較窄VCSEL激光器傾向于促進單模式工作。
應該強調的是，本發明的上述實施方式僅僅是為清楚理解本發明原則而建立的可能的實施例。它們并非是窮舉的，也非用于將本發明限制到所公開的明確形式。在不偏離本發明的精神和原則下可對上述本發明的實施方式進行改變和變化。例如，高摻雜半導體層的相同概念可應用于生長于n-型基底之上的標準p-i-n結構，生長于p-型基底之上的n-i-p結構，或生長于半絕緣性的基底之上的結構。高摻雜半導體層的相同概念也可應用于其它類型的VCSEL材料系統，以及單一設備和陣列設備。所有的此類改變和變化都包括在本發明的范圍之內，并通過所附的權利要求加以保護。
權利要求
1.一種用于發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個半導體層，其中一個或多個所述半導體層構成第一分布式布拉格反射體，DBR，一個或多個所述半導體層構成激活區，一個或多個所述半導體層構成第二DBR，該第二DBR包括相干光能穿過的激光器筒體區；以及非導電性離子注入區，其限定所述第二DBR中的所述激光器筒體區的導電性邊界；形成于所述第二DBR和所述非導電性離子注入區之上的高摻雜的半導體層；形成于所述基底下面的第一導電性接觸件；以及形成于所述高摻雜半導體層之上的第二導電性接觸件，兩個所述導電性接觸件都能向所述激活區施加偏壓，從而發射相干光，其中所述高摻雜的半導體層和所述導電性接觸件的結合使電流穿過面射型激光器而不會阻擋來從所述激光器筒體區發射的相干光。
2.根據權利要求1所述的面射型激光器，其中所述高摻雜的半導體層以砷化鎵、氮化銦鎵和砷化鋁鎵中的至少一種進行高摻雜。
3.根據權利要求1所述的面射型激光器，其中所述激光器筒體區的直徑小于10微米。
4.根據權利要求1所述的面射型激光器，其中所述高摻雜的半導體層的厚度基本等于所希望輸出光的四分之一波長的奇數倍。
5.根據權利要求4所述的面射型激光器，其中所述高摻雜的半導體層以砷化鎵、氮化銦鎵和砷化鋁鎵中的至少一種進行高摻雜。
6.根據權利要求4所述的面射型激光器，其中所述激光器筒體區的直徑小于10微米。
7.一種用于發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體，DBR；形成于所述第一DBR之上的激活區；形成于所述激活區之上的第二DBR，該第二DBR具有非導電性離子注入區和激光器筒體區，該激光器筒體區具有第一直徑；形成于所述第二DBR和所述非導電性離子注入區之上的高摻雜的半導體層；以及與所述高摻雜的半導體層相結合的導電性接觸件，該導電性接觸件限定了具有第二直徑的開口，該第二直徑大于所述第一直徑。
8.根據權利要求7所述的面射型激光器，其中所述高摻雜的半導體層以砷化鎵、氮化銦鎵和砷化鋁鎵中的至少一種進行高摻雜。
9.根據權利要求7所述的面射型激光器，其中所述第一直徑小于10微米。
10.根據權利要求7所述的面射型激光器，其中所述高摻雜的半導體層的厚度基本等于所希望輸出光的四分之一波長的奇數倍。
11.根據權利要求7所述的面射型激光器，其中所述高摻雜的半導體層以砷化鎵、氮化銦鎵和砷化鋁鎵中的至少一種進行高摻雜。
12.根據權利要求10所述的面型發射激光器，其中所述第一直徑小于10微米。
13.一種提供發射相干光的面射型激光器的方法，該方法包括提供基底；在所述基底上形成第一分布式布拉格反射體，DBR；在所述第一DBR之上形成激活區；在所述激活區之上形成第二DBR，該第二DBR具有非導電性離子注入區和激光器筒體區，該激光器筒體區具有第一直徑；在所述第二DBR和所述非導電性離子注入區之上形成高摻雜的半導體層；以及提供設置于所述高摻雜的半導體層的頂部之上的導電性接觸件，該導電性接觸件限定具有第二直徑的開口，該第二直徑大于所述第一直徑。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述高摻雜的半導體層和所述導電性接觸件的結合使電流穿過面射型激光器而不會阻擋從所述激光器筒體區發射的相干光。
15.根據權利要求13所述的方法，其中所述高摻雜的半導體層以砷化鎵、氮化銦鎵和砷化鋁鎵中的至少一種進行高摻雜。
16.根據權利要求13所述的方法，其中將所述第一直徑降低至10微米以下，從而產生單模式光輸出，同時使多模式輸出最小化。
17.根據權利要求13所述的方法，其中所述高摻雜的半導體層的厚度基本等于所希望輸出光的四分之一波長的奇數倍。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述高摻雜的半導體層以砷化鎵、氮化銦鎵和砷化鋁鎵中的至少一種進行高摻雜。
19.根據權利要求17所述的方法，其中將第一直徑降低至10微米以下，從而產生單模式光輸出，同時使多模式輸出最小化。
全文摘要
在垂直腔表面發射激光器(VCSEL)(200)的筒體上形成高摻雜的半導體層(280)，從而提供電流傳導并使電流散布穿過并進入激光器筒體的開孔中，同時無需擋光的導電性接觸件突出。該VCSEL (200)包括基底、第一分布式布拉格反射體(DBR)(230)、激活區(240)、具有非導電性離子注入區(255)和第一直徑(260)的激光器筒體區的第二DBR、高摻雜的半導體層(280)，以及導電性接觸件(215)。該導電性接觸件限定了具有大于第一直徑的第二直徑(265)的開口。
文檔編號H01S5/183GK1650489SQ03809926
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月1日 優先權日2002年4月1日
發明者X·張 申請人:路美光電公司