CN100361355C - 低压多结垂直腔表面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

一种包括光发射区域(204)的光学装置，所述光发射区域发射工作波长的光，所述光发射区域包括至少一个活性区(215)。一个n-型传导性接触区域(216)位于所述活性区的一个表面上，且一个p-型传导性接触区域(218)位于一个相对的表面上。p/n隧道结(202)的p表面位于所述p-型传导性接触区域的所述相对的表面上，且n-型传导性接触区域位于n表面上。所述光发射区域(204)位于一个光学增益腔内，该光学增益腔包括一个镜(210)，一个相对的镜(206)，和一个基片，所述基片用粘合层(214)焊接粘合到所述镜(210)和所述相对的镜(206)中的至少一个。

Description

低压多结垂直腔表面发射激光器
技术领域
本发明涉及产生相对较长波长的半导体激光器。
背景技术
垂直腔表面发射激光器(以下简称为“VCSEL’s”)已成为用在短距局域网和存储区域网中的光发射器的主要光源，在这些应用中，多模光纤用于数据传输。VCSEL’s是具有高速度、低驱动电流和低功率耗散的低成本微腔装置，这种装置具有所希望的光束性能，这些性能大大地简化了这种装置的光学封装和测试。为了将VCSEL’s的用途扩大到长距的光学网络，如基于单模光纤的城域网，就需要长波长的VCSEL’s，这种长波长的VCSEL’s能够在1.3μm到1.5μm的波长范围内发射足够高的单模输出功率。
在VCSEL设计中同时要求高功率和单模激光运行会产生内在的矛盾。高功率要求大的有效增益体积，而单模运行要求较小的有效面积，其截面一般小于5μm。这种矛盾可通过增加所述增益体积的纵向范围而同时限制其横向面积来解决，但在实践中，这种方法受到了置入的电载体的扩散长度的限制，该扩散长度限制所述增益体积的厚度。这种限制，连同激光模式对温度的较大依赖性以及较长波长时的增益峰值，在热流动(roll-over)开始之前，将长波长的VCSEL的最大单模输出功率有效地限制到1mW或更小。
排列在谐振增益结构中的多量子井堆栈(量子井位于波腹点)的使用可极大地增加增益体积和VCSEL的整体光学效果，但在实践中会被载体扩散限制在单独的MQW堆栈。避免所述载体扩散限制的一种方法是将连续的pn结进行电气级联，所述连续的pn结通过在掺p和掺n接触层之间嵌入单独的增益区域(MQW堆栈)而形成。将所述连续的pn结在电气上“短路”并因此而通过Esaki隧道结的方式串联，所述Esaki隧道结将邻近的掺p+和掺n+接触层连接。虽然此方法能够产生较高的光输出和超过100％的差分斜率效率，但其主要缺陷在于结电压的累加特性，这种特性要求使用高压驱动器，而这些高压驱动器在高的调制速度中并不容易得到。
通常，半导体激光器仅仅是P/N结，这种P/N结在其间具有有效面积，并在每一侧上具有光的反射放大镜。P/N结的主要问题是掺p材料具有非常低的载体移动性，因此，跨越该结的电流分布很少。由于所希望的光是由流入所述有效面积的电流所产生的，所以，很少的电流分布会导致很少的光的产生。
发明概述
为了实现在上面和以其它方式所明确的目的和优点，本发明公开了一种制造多结垂直腔表面发射激光器的方法，所述激光器具有一个工作波长，该波长一般在约从1.2μm到1.6μm的范围内。所述方法包括提供第一基片的步骤，至少一个光发射区域在所述基片上外延生长。在优选实施例中，所述第一基片包括磷化铟(InP)。不过，人们能够理解所述第一基片可包括其它材料，这些材料可与在其后的层晶格匹配。
所述一个或多个光发射区域中的每个都包括活性区，该活性区具有多个量子结构层，所述量子结构层实质上发射工作波长的光。
而且，每个光发射区域被n-型或p-型传导性的交替接触区域从每个相邻的光发射区域分离，以能够将每个光发射区域在电气上独立偏压且并联。在优选实施例中，每个光发射区域被夹在相对的传导性类型(即n-型和p-型区域，以形成p/n结)的接触区域之间。为了加强穿过所述p/n结的电流分布的均匀性，且为了克服p-型传导性接触区域的横向电流传播较少的缺点，在所述光发射区域的表面上放置p++/n++隧道结，其p++表面与所述光发射区域的p-型传导性区域相对。将n-型传导性接触区域置于所述p++/n++隧道结的n++表面上，以使在所述合并的一个或多个光发射区域的外边界的主要接触区域为n-型传导性接触区域。
第一材料和第二材料的交替层的第一堆栈在所述光发射区域外延生长，其中所述第一交替层的堆栈形成分布式布拉格反射器(下面简称为“DBR”)。第二基片被粘合在所述第一交替层的堆栈上且通过研磨或类似的技术将所述第一基片去除，以在实质上将所述光发射区域暴露。在优选实施例中，所述第二基片包括磷化铟(InP)。不过，人们也可理解所述第二基片可包括具有适当的热传导特性的其它材料，如砷化镓(GaAs)、硅(Si)或其它类似的材料。所述第二基片可被粘合，例如用焊接材料的粘合层来粘合，或者，用具有理想粘合特性的其它适当的材料来粘合。在一些实施例中，所述粘合层可以在光学上是透明的，或者它可包括一个窗口，以使实质上的光发射穿过所述第二基片。
第三材料和第四材料的交替层的第二堆栈在所述至少一个光发射区域外延生长以形成DBR。在所述优选实施例中，所述第三和第四材料包括高折射率材料，如分别为氟化镁(MgF)和硒化锌(ZnSe)，以形成电介质DBR。不过，所述第一、第二、第三和第四材料层可包括其它材料，如AlGaAs合金、氧化硅(SiO)、氧化钛(TiO)或其它类似的材料。而且，所述第一、第二、第三和第四材料层的每一层的厚度都约等于所述工作波长的四分之一。
附图简述
图1是制造根据本发明的单结垂直腔表面发射激光器的一个步骤的截面图；
图2是制造根据本发明的单结垂直腔表面发射激光器的一个步骤的截面图；
图3是制造根据本发明的单结垂直腔表面发射激光器的另一个步骤的截面图；
图4是制造根据本发明的单结垂直腔表面发射激光器的再一个步骤的截面图；
图5是制造根据本发明的单结垂直腔表面发射激光器的一个步骤的截面图；
图6是根据本发明的单结垂直腔表面发射激光器的光电电路的电路示意图，所述光电电路连接到电子调制电路；
图7是制造根据本发明的多结垂直腔表面发射激光器的一个步骤的截面图；
图8是根据本发明的多结垂直腔表面发射激光器的光电电路的电路示意图，所述光电电路连接到电子调制电路；
图9是根据本发明的一个多结VCSEL的另一个实施例的截面图；
图10是根据本发明的一个多结VCSEL的再一个实施例的截面图；
图11是根据本发明的一个多结VCSEL的再一个实施例的截面图；
图12是根据本发明的单结垂直腔表面发射激光器的基本结构的简化截面图，所述激光器包括用于电流分布的p/n隧道结；
图13是单结垂直腔表面发射激光器的截面图，所述激光器包括一个p/n隧道结，该p/n隧道结的位置与图12中所示出的p/n隧道结的位置相反；
图14是根据本发明的双结垂直腔表面发射激光器的截面图，所述激光器包括用于电流分布的p/n隧道结。
最佳实施方式
参看图1，该图示出了制造根据本发明的具有工作波长的单结垂直腔表面发射激光器5的一个步骤。可以理解我们仅示出了一个单结VCSEL 5，但是，一般来说，在整个晶片上的空白层中沉积或生长多个VCSEL，以在同时制造大量的VCSEL。
制造单结VCSEL 5的方法包括提供一个基片26，至少一个光发射区域23在所述基片26上外延生长。在此实施例中，示出了单个的光发射区域23以便于论述的简化和方便。基片26包括磷化铟(InP)，不过，人们会理解基片26可包括其它材料，如砷化镓(GaAs)或其它类似的材料，这些材料可与生长在其后的层晶格匹配。
光发射区域23包括一个活性区21，该活性区21具有多个量子结构层22，所述量子结构层22具有带隙波长，其中所述量子结构层22中的每一层发射工作波长的光。所述工作波长在给定的约从1.2μm到1.6μm的范围内，这个波长范围典型地用于光通信中，如光纤网络中。不过，可以理解其它的波长范围也可以适用于一个给定的用途。
活性区21位于包覆层18与包覆层24之间。人们会理解虽然所示出的包覆层18和24包括一个单独的材料层，但包覆层18与包覆层24中的每个均可包括一层以上的层。而且，包覆层18与包覆层24包括磷化铟，其中包覆层18为轻微n-型掺杂且包覆层24为轻微p-型掺杂。不过，人们会理解包覆层18和24也可包括其它适当的包覆层材料，这些包覆层材料具有不同的掺杂构造。
量子结构层22包括量子井，但人们会理解量子结构层22可包括其它的装置结构，如量子点或类似的装置结构，这些结构具有适当的光发射性能。
而且，如图所示，相邻的量子结构层22由阻挡层20分离，使得阻挡层20a邻近于包覆层24且阻挡层20b邻近于包覆层18。所述阻挡层20的每一层的能隙波长小于所述量子结构层22的每一层的能隙波长。并且量子结构层22和阻挡层20包括AlGaInAs合金(即InAlAs、InGaAs等)。不过，人们会理解量子结构层22和阻挡层20也可分别包括其它适当的光发射材料和阻挡材料。
人们会理解在一些实施例中，邻近于包覆层24的阻挡层20a可包括足够低的电子亲合性材料，以便为活性区21提供改进的电子抑制。而且，在一些实施例中，邻近于包覆层18的阻挡层20b可包括足够高的电离电位材料，以提供改进的空穴抑制。加上阻挡层20a和20b会提供较高能量阻挡以防止载体泄漏和载体损耗，并提高VCSEL 5的高温性能。
在光发射区域23上邻近于包覆层18的位置放置接触区域19。在优选实施例中，接触区域19包括用n-型高度掺杂的磷化铟(InP)。不过，人们会理解接触区域19可包括其它适当的接触材料。而且，出于简化和图示的目的，所示出的接触区域19包括一个单独的层。不过，人们会理解接触区域19可包括多层传导层。
变质(metamorphic)DBR区域16在接触层19上外延生长。变质DBR区域16包括AlAs层15和GaAs层17的交替层，但人们会理解层15和17可包括其它适当的反射材料，这些反射材料按照高的和低的折射率而交替堆叠。而且层15和17中的每层都有一个厚度74，该厚度74约等于所述工作波长的四分之一，以提供所希望的反射性能。变质DBR区域16作为散热区域。变质DBR区域16中的二元化合物的较高热传导性为单结VCSEL 5提供了较低的热阻和更好的高温性能。
包括磷化铟(InP)的基片10粘合到变质DBR区域16。不过，人们会理解基片10可包括其它适当的基片材料，如砷化镓(GaAs)、硅(Si)或其它适当的支撑材料，这些支撑材料具有所希望的热传导性能，如散热或类似的性能。可采用本领域熟练的技术人员所熟知的技术将基片10粘合到区域16。利用粘合层12将基片10粘合到区域16，该粘合层12包括焊料，如金/硅(Au/Si)、金/锡(Au/Sn)、金/锗(Au/Ge)或类似的材料。粘合层12包括一个窗口14，使得可以从光发射区域23进行光发射，这一点将单独论述。
参看图2，该图示出了制造单结VCSEL 5的另一个步骤。在图2中，利用本领域熟练的技术人员所熟知的任何技术，如研磨或类似的技术，将基片26实质上去除，以暴露光发射区域23的表面46。并且，在包覆层24中形成注入区域36/37，并将注入区域36/37对准，以形成导电通道，该导电通道实质上重叠在光路径通道49上，所述光路径通道49穿过光发射区域23、变质DBR区域16和基片10，这一点将单独论述。折射率波导区域30/31被置于包覆层24内邻近于表面46的位置并与窗口14和光路径通道49准直。折射率波导区域30/31可包括，例如，一个槽。
注入区域36/37用于在实质上限制电流，使其流向光路径通道49，以改进单模激光发射的运行。因此，利用离子注入来轰击周围的包覆层24的一部分，以产生电阻较高的区域，并因此而将大量的所述电流导入传导性相对较大的所述光路径通道49。不过，人们会理解注入区域36/37和折射率波导区域30/31是可选的，只是为了说明的目的而将其包括在本实施例中。
所注入的离子可由单带电质子(H+)、单带电氦离子(He+)、双带电氦离子(He++)或类似的离子组成。较高的电阻实际上源于注入损伤所产生的深度，所述注入损伤的能态有助于对包覆区域24的补偿。人们会理解在包覆层18内并且邻近于光路径通道49也可产生类似的注入区域。
折射率波导区域30和31用于通过增加所述增益区域的横截面且保持单模激光发射的运行来提高单结VCSEL 5的单模输出功率，保持单模激光发射的运行通过模式选择措施(模式控制)的方式来进行，这些模式选择措施可通过折射率引导来优先提高一种模式的模态增益，或者，作为选择，通过较高的反射损失来抑制另一个竞争的较高次的模式。通过使主动泵浦区域增加，同时，抑制通过表面起伏式样化而出现的竞争模式，就能够实现电流密度降低的较高单模输出功率，这样就会使自热较低并降低增益饱和。
参看图3，该图示出了制造单结VCSEL 5的再一个步骤。通过利用电介质剥离方法在光发射区域23上且邻近于包覆区域24的位置放置电介质DBR区域28。不过，人们会理解，可采用本领域熟练的技术人员所熟知的其它放置技术来放置电介质DBR区域28。电介质DBR区域28包括氧化硅(SiO)层25和氧化钛(TiO)层27的交替层，其中层25和27中的每一层都有一个厚度74，该厚度74约等于所述工作波长的四分之一，以获得所希望的反射性能。
不过，人们会理解层25和27可包括高介电常数材料和低介电常数材料的交替层的其它适当电介质材料，如氟化镁(MgF)和硒化锌(ZnSe)的交替层。而且，人们会理解在本实施例中使用电介质DBR区域仅仅是为了示例的目的。例如，DBR区域28可包括砷化铝(AlAs)和砷化镓(GaAs)的交替层，并可与变质DBR区域16的结构类似。
参看图4，该图示出了制造单结VCSEL 5的再一个步骤。将光发射区域23和电介质DBR区域28从接触区域19蚀刻，以形成台面47并暴露表面70和表面71。而且将电介质DBR区域28从光发射区域23蚀刻，以形成台面48并暴露表面72和73。
参看图5，该图示出了制造单结VCSEL 5的再一个步骤。将电接触层33/35置于表面70/71上。人们会理解电接触层33/35可包括金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)或其它类似的材料。而且，人们会理解虽然所示出的接触层33/35包括单独的层，但层33/35可包括传导性材料组成的多个传导层。
在所述优选实施例中，接触层42/43被外延沉积在表面72/73上。接触层42/43包括高度p-型掺杂的InGaAs。不过，人们会理解层42/43可包括其它适当的传导性材料。而且，如图所示，将电接触层32/34置于接触层42/43上，以在电接触层33/35与32/34之间形成p/n结44，所述p/n结44发出光38和光39。
人们会理解电接触层32/34可包括金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)或其它类似的材料。人们也会理解，在所述优选实施例中，对层42/43和24进行p-型掺杂且对层19和18进行n-型掺杂是为了示例的目的，其它的掺杂结构也是可行的。例如，可对层42/43和24进行n-型掺杂并对层19和18进行p-型掺杂，在这种情况下，p/n结44的偏振反转。
参看图6，该图示出了单结VCSEL 5的光电电路60，该光电电路60连接到电子调制电路。在电路60中，电接触部分33/35(见图5)电气连接到电功率回路61。并且电接触部分32/34(见图5)电气连接到电阻器66的一个终端。电阻器66的另一个终端电气连接到电容器62的一个终端和感应器64的一个终端，如在“偏压T形”中。电容器62的一个相对终端电气连接到RF功率源63。感应器64的另一个终端电气连接到DC功率源65。人们会理解可像集成电路那样来形成光电电路60或光电电路60可包括集成和离散电子元件的组合。
在电路60中，DC功率源65用DC电压向p/n结44加偏压。感应器64提供DC信号的电气短路和RF信号的高阻抗。所加上的与二极管44串联的电阻器66起着限流器或阻抗匹配元件的作用，且电容器62将RF功率源63与DC电流隔离。RF功率源63提供调制p/n结44的RF电压。
形成多个光发射区域23以提高光的发射是人们非常希望得到的。而且，人们还希望增加光的发射而并不显著地增加功率消耗和热的产生。为了实现这些目的，形成一种多结VCSEL，在这种多结VCSEL中，以并联的方式将光发射区域偏压，以实现低偏压运行并将热的产生降到最小。
参看图7，该图示出了具有工作波长的多结VCSEL 7’，该VCSEL 7’被设计成能够以低功率消耗进行加强的光发射。人们会理解多结VCSEL 7’是采用与制造单结VCSEL 5类似的工艺步骤制造(即基片粘合、基片去除等)。不过，为了简化和便于论述，我们在图7中示出了最终的装置结构。而且，为了简化和便于论述，多结VCSEL 7’包括两个活性区。不过，人们会理解多结VCSEL 7’可包括在电气上并联的两个以上的光发射区域。
多结VCSEL 7’包括基片10’，该基片10’包括磷化铟(InP)。不过，人们会理解基片10’可包括其它适当的基片材料，如砷化镓(GaAs)、硅(Si)或其它适当的支撑材料，这些支撑材料具有所希望的热传导性能，如散热或类似的性能。利用粘合层12’将基片10’粘合到区域16’，该粘合层12’包括焊料，如金/硅(Au/Si)、金/锡(Au/Sn)、金/锗(Au/Ge)或类似的材料。粘合层12’包括窗口14’，以使光可以从活性区21’和29’发射，这一点将单独论述。
变质DBR区域16’包括AlAs层15’和GaAs层17’的交替层，其中层15’和17’中的每层都有一个厚度74’，该厚度74’约等于工作波长的四分之一，以获得所希望的反射性能。不过，人们会理解层15’和17’可包括其它适当的反射材料，这些反射材料根据高的和低的折射率而进行交替堆叠。变质DBR区域16’作为散热区域。变质DBR区域16’中的二元化合物的较高热传导性为多结VCSEL 7’提供了较低的热阻和更好的高温性能。
在变质DBR区域16’上放置有接触区域77’，接触区域77’包括p-型高度掺杂的InP。不过，人们会理解接触区域77’可包括其它适当的接触材料。而且，出于简化和图示的目的，所示出的接触区域77’包括一个单独的层。不过，人们会理解接触区域77’可包括多层传导层。
光发射区域53’置于接触层77’上。光发射区域53’包括活性区29’，该活性区29’具有多个量子结构层52’，所述量子结构层52’具有带隙波长，其中所述量子结构层52’中的每一层发射工作波长的光。所述工作波长在给定的约从1.2μm到1.6μm的范围内，这个波长范围典型地用于光通信中，如光纤网络中。不过，人们会理解其它的波长范围也可适用于一个给定的用途中。
活性区29’位于包覆层55’与包覆层54’之间。人们会理解虽然所示出的包覆层54’和55’包括一个单独的材料层，但层54’和55’中的每层均可包括一层以上的层。而且，包覆层54’和55’包括磷化铟，其中包覆层54’为轻微的n-型掺杂且包覆层55’为轻微的p-型掺杂。不过，人们会理解包覆层54’和55’也可包括其它适当的包覆层材料，这些包覆层材料具有不同的掺杂构造。
量子结构层52’包括量子井，但人们会理解层52’也可包括其它的装置结构，如量子点或类似的装置结构，这些结构具有适当的光发射性能。活性区29’中的每个相邻的量子结构层52’以一个距离11’隔开，所述距离11’的选择使量子结构层52’大体上处在VCSEL 7中的光学场的波腹点(即距离11’约等于所述工作波长的一半或所述工作波长的整数倍)。
而且，相邻的量子结构层52’由阻挡层50’像如图所示的那样隔离，以将阻挡层50’a和50’b分别置放在邻近于包覆层55’和54’的位置。每个阻挡层50’的能隙波长小于每个量子结构层52’的能隙波长。而且，量子结构层52’和阻挡层50’包括AlGaInAs的合金(即InAlAs、InGaAs等)。不过，人们会理解量子结构层52’和阻挡层50’也可分别包括其它适当的光发射材料和阻挡材料。
人们会理解在一些实施例中，邻近于包覆层55’的阻挡层50’a可包括足够低的电子亲合性材料，以便为活性区29’提供改进的电子抑制。而且，在一些实施例中，邻近于包覆层54’的阻挡层50’b可包括足够高的电离电位材料，以提供改进的空穴抑制。加上阻挡层50’a和50’b会提供较高能量阻挡以防止载体泄漏和载体损耗，并提高VCSEL 7的高温性能。
接触区域19’置于光发射区域53’上。接触区域19’包括置于包覆层54’上的电流扩散和蚀刻阻止层40’以及置于电流扩散和蚀刻阻止层40’上的接触层41’。不过，人们会理解接触层19’可包括具有不同掺杂构造的一个以上的层。电流扩散层40’包括n-型掺杂的磷化铟(InP)且接触层41’包括n-型掺杂的铝镓铟砷化物(AlGaInAs)，其中接触层41’的掺杂浓度比电流扩散和蚀刻阻止层40’的掺杂浓度大得多。(层40’(InP)是个蚀刻阻止层，也是一个电流扩散层，而将电接触部分33’和35’制成与层41’(GaAlInAs)接触。)
光发射区域23’置于接触区域19’上。光发射区域23’包括活性区21’，该活性区21’具有多个量子结构层22’，所述量子结构层22’具有带隙波长，其中所述量子结构层22’中的每一层发射大体上是所述工作波长的光。
活性区21’位于包覆层18’与包覆层24’之间。人们会理解虽然所示出的包覆层18’和24’包括一个单独的材料层，但层18’和24’中的每层均可包括一层以上的层。而且，包覆层18’和24’包括磷化铟，其中包覆层18’是轻微n-型掺杂且包覆层24’是轻微p-型掺杂。不过，人们会理解包覆层18’和24’也可包括其它适当的包覆层材料，这些包覆层材料具有不同的掺杂构造。
量子结构层22’包括量子井，但人们会理解层22’也可包括其它的装置结构，如量子点或类似的装置结构，这些结构具有适当的光发射性能。活性区21’中的每个相邻的量子结构层22’以一个距离11’隔开，所述距离11’的选择使量子结构层22’大体上处在VCSEL 7’中的光学场的波腹点(即距离11’约等于所述工作波长的一半或所述工作波长的整数倍)。
而且，相邻的量子结构层22’由阻挡层20’像如图所示的那样隔离，以将阻挡层20’a置放在邻近于包覆层24’的位置且阻挡层20’b置放在邻近于包覆层18’的位置。每个阻挡层20’的能隙波长小于每个量子结构层22’的能隙波长。而且，量子结构层22’和阻挡层20’包括AlGaInAs。不过，人们会理解量子结构层22’和阻挡层20’也可分别包括AlGaInAs合金或其它适当的光发射材料和阻挡材料。
人们会理解在一些实施例中，邻近于包覆层24’的阻挡层20’a可包括足够低的电子亲合性材料，以便为活性区21’提供改进的电子抑制。而且，在一些实施例中，邻近于包覆层18’的阻挡层20’b可包括足够高的电离电位材料，以提供改进的空穴抑制。加上阻挡层20’a和20’b会提供较高能量阻挡以防止载体泄漏和载体损耗，并提高VCSEL 7’的高温性能。
通过利用电介质剥离方法在光发射区域23’上且邻近于包覆区域24’的位置放置电介质DBR区域28’。不过，人们会理解可采用本领域熟练的技术人员所熟知的其它放置技术来放置电介质DBR区域28’。电介质DBR区域28’包括氧化硅(SiO)层25’和氧化钛(TiO)层27’的交替层，其中层25’和27’中的每一层都有一个厚度74’，该厚度74’约等于所述工作波长的四分之一，以获得所希望的反射性能。
不过，人们会理解层25’和27’可包括在高介电常数材料和低介电常数材料之间交替的其它适当的电介质材料，如氟化镁(MgF)和硒化锌(ZnSe)的交替层。而且，人们会理解在本实施例中使用电介质DBR区域仅仅是为了示例的目的。例如，DBR区域28’可包括砷化铝(AlAs)和砷化镓(GaAs)的交替层，并可与变质DBR区域16’的结构类似。
在包覆层24’中形成注入区域36’/37’并在包覆层55’中形成注入区域56’/57’，并将其对准，以使光路径通道49’穿过电介质DBR区域28’、光发射区域23’、光发射区域53’、变质DBR区域16’和基片10’，这一点将单独论述。将折射率波导区域30’/31’置于包覆层24’内邻近于表面46’的位置并与窗口14’和光路径通道49’准直。折射率波导区域30’/31’可包括，例如，一个槽。而且，人们会理解在包覆层54’和/或18’内可形成类似于区域36’/37’和56’/57’的注入区域。不过，在包覆层24’和55’中形成注入区域仅仅是为了示例的目的。
注入区域36’/37’和56’/57’用于限制电流以使其流向光路径通道49’，以改进单模激光发射的运行。因此，利用离子注入来轰击周围的包覆层24’和55’的一部分，以产生电阻较高的区域，并因此而将大量的所述电流导入传导性相对较高的所述光路径通道49’。所注入的离子可由单带电质子(H+)、单带电氦离子或双带电氦离子(He+或He++)或类似的离子组成。较高的电阻实际上源自注入损伤所产生的深度，所述注入损伤的能态有助于对包覆区域24’和55’的补偿。
折射率波导区域30’/31’用于通过增加所述增益区域的横截面，同时，保持单模激光发射的运行来提高多结VCSEL 7’的单模输出功率，保持单模激光发射的运行通过模式选择措施(模控制)的方式来进行，这些模式选择措施可通过折射率引导来优先提高一个模式的模态增益，或者，作为选择，通过较高的反射损失来抑制另一个竞争的较高次的模式。
通过使主动泵浦区域增加，同时，抑制通过表面起伏式样化而出现的竞争模式，就能够实现电流密度降低的较高单模输出功率，这样就会产生较低的自热并降低增益饱和。
将电介质DBR区域28’从光发射区域23’蚀刻，以形成台面48’并暴露表面72’/73’。而且将光发射区域23’从接触区域19’蚀刻，以形成台面47’并暴露表面70’/71’。在所述优选实施例中，将光发射区域53’从接触区域77’蚀刻，以形成台面51’并暴露表面75’/76’。
电接触层58’/59’被置于表面76’/75’上。人们会理解电接触层58’/59’可包括金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)或其它类似的材料。而且，人们会理解虽然所示出的接触层58’/59’包括单独的层，但层58’/59’可包括传导性材料的多个传导层。
在所述优选实施例中，将电接触层33’/35’置于表面70’/71’上。人们会理解电接触层33’/35’可包括金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)或其它类似的材料。而且，人们会理解虽然所示出的接触层33’/35’包括单独的层，但层33’/35’可包括传导性材料的多个传导层。
将接触层42’/43’外延放置在表面72’/73’上，接触层42’/43’包括高度p-型掺杂的InGaAs。不过，人们会理解层42’/43’可包括其它适当的传导性材料。而且，如图所示，将电接触层32’/34’置于接触层42’/43’上，以在电接触层33’/35’与32’/34’之间形成p/n结44’。而且，在电接触层33’/35’与58’/59’之间形成p/n结45’。
人们会理解电接触层32’/34’可包括金(Au)、铂(Pt)、银(Ag)或其它类似的材料。而且，人们也会理解，对层42’/43’进行p-型掺杂、对区域19’进行n-型掺杂以及对层77’进行p-型掺杂是为了示例的目的，其它的掺杂结构也是可行的。例如，可对层42’/43’进行n-型掺杂、对层19’进行p-型掺杂以及对层18’进行p-型掺杂，在这种情况下，p/n结44’和45’的偏振反转。在后者的构造(未在图7中示出)中，所述离子注入区域36’/37’以及56’/57’将分别置于包覆层18’和54’内。
活性区21’和29’在光学上级联在一个谐振构造中，以提高整体光学增益并达到高的光学输出功率。不过，对p/n结44’和45’在电气上进行并联偏压，以将运行多结VCSEL7’所要求的电压降到最小，这一点随后会进行描述。而且，可对增益区域单独进行偏压。将所述光路径通道49’进行限制，以使流过活性区53’的电流的路径可等于，但并不是必须等于穿过活性区23’的电流的路径，这样就使活性区23’和53’中的每一个发出实质上相等，但并不是必须相等的光。人们会理解通过改变注入区域36’/37’或56’/57’以及折射率波导30’/31’的性能和位置，可对电流通路进行调节。
参看图8，该图示出了多结VCSEL 7’的光电电路80’，该光电电路80’连接到电子调制电路。DC功率输入端94’电气连接到感应器92’的一个终端。感应器92’的另一个终端电气连接到电容器96’的一个终端和电阻器93’的一个终端。电容器96’的另一个终端电气连接到RF功率源98’。电阻器93’的另一个终端电气连接到多结VCSEL 7’的电接触器32’/34’(见图7)。而且，DC功率回路88’电气连接到电接触部分33’/35’(见图7)。
多结VCSEL 7’的电接触部分58’/59’(见图7)电气连接到电阻器85’的一个终端。电阻器85’的另一个终端电气连接到感应器84’的一个终端和电容器90’的一个终端’。感应器84’的另一个终端电气连接到DC功率输出端86’，且电容器90’的另一个终端电气连接到RF功率回路82’。
在光电电路80’中，DC功率源86’用DC电压向p/n结45’加偏压，且DC功率源94’用DC电压向p/n结44’加偏压。感应器84’和92’为DC信号提供电气短路和为RF信号提供高阻抗，而电容器90’和96’分别将RF功率回路82’和RF功率源98’与DC电流隔离。电阻器93’和85’被加入，以作为限流器并在需要时用于阻抗匹配。RF功率源98’提供调制p/n结44’的RF电压。
再参看图7，活性区21’和29’置于谐振腔81’中，所述谐振腔81’由变质DBR镜16’和电介质DBR镜28’所限定。活性区21’和29’位于谐振腔81’中光学场的波腹点并相干发光，活性区21’和29’中的每一个实际上都对VCSEL 7’的整体光学增益有作用。将P/N结44’和45’串联连接但并联偏压。p/n结44’和45’中的每一个由DC偏压94’和86’分别进行偏压，以产生光学增益，所述光学增益相干结合以将VCSEL 7’偏压而使其非常接近于激光发射阈值。RF信号98’向结44’提供调制信号，该调制信号作为“增益杠杆”，该“增益杠杆”调制阈值以上的VCSEL 7’的增益，并产生经过调制的光学输出。
为了增加多结VCSEL 7’的功率输出，将p/n结44’和45’光学级联在普通的光学谐振腔81’中，所述光学谐振腔81’由变质DBR区域16’和电介质DBR区域28’所限定。在所述光学场的峰值(波腹)点放置量子结构层22’和52’，以使得活性区21’和29’的光学增益被相干耦合，因此增加所述腔的整体增益并增加功率输出。
活性区21’和29’被放置在相同的谐振腔中的不同波腹点，且将每个增益截面分别在p/n结44’和45’中被单独电气偏压。而且，将p/n结44’和45’通过共用一个公共n+电极(即接触区域19’)而偏压，这种偏压并不以串联的方式而是用并联的方式进行。
在这种三端结构中，p/n结44’和45’均由流过分离的电流路径的不同电流单独正向偏压，这些电流的总和构成全部的驱动电流。p/n结44’和45’的正向偏压中的每一个相当于单p/n结的偏压。每个电流向所述共用的谐振腔提供较低的光学增益，而共同的光学增益确定所述腔的阈值激光发射条件。
在多结VCSEL 7’的优选实施例中，p/n结45’仅受到DC偏压的影响，而p/n结44’(面积大体上类似)既受到DC偏压的影响也受到用于高速运行的RF调制电流的影响。在此方式中，p/n结44’和45’均受到较低电压偏压和较低电流注入水平的影响，因此不易于增益饱和。人们还应能够理解，作为选择，p/n结44’和45’均可既受到DC偏压的影响又受到用于高速调制的RF调制电流的影响。
参看图9，该图示出了多结VCSEL 8’的另一个实施例。人们会理解多结VCSEL 8’采用与制造多结VCSEL 7’的工艺(即基片粘合、基片去除等)类似的步骤制造并包括类似的层。不过，为了简化和便于论述，在图9中示出了最终的装置结构。而且，为了简化和便于论述，多结VCSEL 8’包括两个活性区。不过，人们会理解多结VCSEL 8’可包括在电气上并联的两个以上的光发射区域。
在此实施例中，变质DBR 16’被设计成带有表面188’的自包覆蚀刻槽187’，该自包覆蚀刻槽187’提供到接触区域77’的电气路径并提供改进的载体限制，这一点会随后进行描述。在所述优选实施例中，蚀刻槽187’还能够使离子注入包覆区域54’，这种离子注入通过底部表面188’以方向182’进行，所述方向182’实质上与在包覆区域24’中进行的离子注入方向186’相反。在所述优选实施例中，以方向186’注入的离子在包覆区域24’中形成注入区域36’/37’，且以方向182’注入的离子在包覆区域54’中形成注入区域56’/57’。这就会使对光发射区域23’和53’能够进行独立的离子注入而并不在实质上破坏接触区域19’。人们会理解在所注入的种类并不在实质上破坏所述接触区域19’的情况下，所述注入区域36’/37’以及注入区域56’/57’也可沿单一方向186’以多种能量和多种剂量的注入方式而产生。
在离子注入和退火之后，基金属层183’就沉积在变质DBR 16’上。基金属层183’用作对接触层180’进行电镀的种子层，所述接触层180’有一个大体上平坦的底部表面189’。人们会理解层183’和180’可包括金(Au)、铂(Pt)或其它类似的材料。而且人们也会理解基金属层183’和接触层180’可用本领域熟练的技术人员所熟知的其它沉积技术进行沉积。然后利用粘合层12’将接触层180’粘合到基片10’上。
多结VCSEL 8’有一个较低的扩散电阻，该扩散电阻实际上通过改进的电流限制所获取，这种改进的电流限制通过在变质DBR 16’中形成槽187’来获得。通过在包覆区域54’中形成注入区域56’/57’并在包覆区域24’中形成注入区域36’/37’但并不在实质上破坏接触区域19’，也可改进较低的扩散电阻。这些改进使得电流通过接触区域77’注入并朝向接触层42’/43’且使横向电流扩散降到最低。
用于电流限制的离子注入的一个可供选择的方法是对活性区21’和29’进行有选择的底切，以在多结VCSEL 6’中形成电流孔径，如图10所示，或对多结VCSEL 9’中的包覆区域24’、18’、54’或55’的一部分进行有选择的底切，如图11所示。人们会理解多结VCSEL 6’和9’采用与制造多结VCSEL 7’的工艺(即基片粘合、基片去除等)类似的步骤制造并包括类似的层。不过，为了简化和便于论述，在图10和图11中示出了最终的装置结构。而且，为了简化和便于论述，多结VCSEL 6’和9’包括两个活性区。不过，人们会理解多结VCSEL 6’和9’可包括在电气上并联的两个以上的光发射区域。
将窄槽194’干式蚀刻成一个穿过光发射区域23’和53’的形式，以便于进行所述底切。然后可在活性区21’和/或活性区29’中形成底切槽185’(见图10)。底切槽185’也可在包覆区域55’、54’、18’和24’中的至少一个中形成(见图11)。而且，在一些实施例中，注入区域184’和注入区域183’可在紧邻槽185’的位置形成，以进一步提供载体限制，如图10和11所示。
在处理p/n结类型的装置，如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)时所出现的主要问题之一是p-型传导性材料具有非常低的载体移动性。实际上，n-型传导性材料的载体移动性至少比p-型传导性材料的载体移动性大五十倍。例如，在VCSEL中，活性区一般一侧粘合有n-型传导性接触层，而相对的一侧粘合有p-型传导性接触层。与n-型和p-型接触层的电接触部分必然要制成邻近于边缘，且电流最好是横向内向流动，以在整个接触层均匀分布，并且然后均匀地穿过所述活性区而流入相对的接触区域。穿过所述活性区且均匀分布的电流最有效地产生最大的光。
不过，由于p-型传导性接触区域的移动性不足，所以电流并不在该层均匀穿过，而是大部分电流分布在边缘，而如果有的话，仅有非常少的部分电流流过中心。这种不足的电流扩散或分布(电流拥挤在边缘)的结果是在装置中心所产生的光的不足。试图产生较好的电流扩散的一些方法包括将p-型传导性接触区域进行更高的掺杂以提高载体的导电率。不过，这种较高的掺杂并不是很令人满意，因为会出现自由载体所导致的高的光吸收，这样会产生高的阈值电流和不足的光输出。
参看图12，该图示出了根据本发明的单结垂直腔表面发射激光器(VCSEL)200的基本结构(图13中完整示出带有电气连接的结构)，该单结垂直腔表面发射激光器包括用于电流分布的p/n隧道结202。VCSEL 200包括光发射区域204，该光发射区域204的上表面有一个电介质分布式布喇格反射器(DBR)206，下表面有一个变质DBR 210。如在前面的实施例中所描述的那样，例如，光发射区域204在InP基片(用虚线示出、用208表示)上形成，DBR 210在发射区域204表面上形成，在所述DBR 210之后，用焊接粘合或类似的方法将基片(柄)212附着在层214上且将基片208去除。这样，DBR206就被沉积在光发射区域204的顶部。
在此实施例中，光发射区域204包括活性区215，所述活性区215一般具有多个量子井或本领域所熟知的类似的装置。活性区215有一个置于其上表面上的n-型传导性接触区域216(前面所述的一层或多层)和一个置于其下表面上的p-型传导性接触区域218。隧道结202在p-型传导性接触区域218的表面上形成，其中p表面与区域218相邻。正如在本领域中所熟知的那样，隧道结202包括非常薄的大量掺杂p-型传导性材料的层和非常薄的大量掺杂n-型传导性材料的层。所述隧道结的p++类和n++类传导性区域都非常薄(如10到30埃)。在p/n隧道结202的n表面上形成第二n-型传导性接触区域220。
应注意到n-型传导性接触区域216的上表面形成用于光发射区域204(包括隧道结)的上部电接触，且第二n-型传导性接触区域220的上表面形成用于光发射区域204的下部电接触。由于所述接触区域216和220中的每一个均由具有高度移动性的n-型传导性材料形成，所以电流扩散就在这些区域进行，以使大体上均匀扩散的电流均匀地流过薄的p-型传导性区域218和活性区215。而且，p-型传导性接触区域218中的低移动性材料类似于镇流电阻器那样运行，以避免电流拥挤在边缘并确保电流的实质上均匀的扩散。
参看图13，该图用VCSEL 230示出了另一个实施例，所述VCSEL 230包括光发射区域231，该VCSEL 230实际上与图12中所示出的实施例相反。在此实施例中，活性区232包括以已知的方式形成的多个量子井的层。一般来讲，活性区232还包括上部和下部包覆层，这一点将不在这里进行详细描述。在活性区232的下表面和下DBR 235的上表面之间放置下n-型传导性接触区域234。由于DBR 235是用未经掺杂的变质材料所形成，所述变质材料是相对不良的电导体但却是好的热导体，所以在其表面上且至少部分地包围并邻近于区域234的位置放置有一个电接触部分236。一般来讲，区域234可相对大量地掺杂或可以包括具有不同掺杂度的多个层，以改进电接触和电流扩散能力。
在活性区232的上表面上形成p-型传导性接触区域238。在此实施例中，p-型传导性接触区域238形成得较厚和/或包括多个不同的掺杂浓度和/或不同的材料。通过横向注入、底切或氧化p-型传导性接触区域238的一部分，在p-型传导性接触区域238的周围形成电流限制区域240。优选在所述p-型传导性区域形成电流限制区域240是因为所述p-型传导性区域可由质子注入赋予很高的电阻率，而且也是因为相对均匀地注入且穿过所述限制区域的电流不易在其流过所述限制区域之后而向外扩散。因此，就会产生实际上最佳的电流限制作用。
在p-型传导性接触区域238的上表面上形成p/n结242，其中所述结的p表面与区域238相邻(在区域238上形成)。在p/n结242的n表面上形成n-型传导性接触区域244。如前所述，n-型传导性接触区域244可包括一个或多个不同掺杂的层或包括不同的材料，以改进电接触和电流扩散功能。第二电接触部分245在n-型传导性接触区域244的上表面上以围绕在上DBR 246周围的环的形式形成，并包括用于将DC和RF信号耦合到VCSEL 230的区域。
参看图14，该图示出了包括用于电流扩散的p/n结的多结VCSEL 250的一个实施例。VCSEL 250包括一个下DBR 252和一个上DBR 258，一个置于所述下DBR 252上表面上的第一光发射区域254和置于所述光发射区域254上的第二光发射区域256，所述上DBR258置于所述光发射区域256的上表面上。在此实施例中，为了便于描述，将这些光发射区域像图8所示的那样实质上电气连接并在一起进行描述。
光发射区域254包括置于DBR 252的上表面上的n-型传导性接触区域260。在n-型传导性接触区域260的上表面上形成p/n隧道结262，其中n表面接触区域260的表面。如上所述，在p/n结262的p表面上形成p-型传导性接触区域264且在区域264中形成电流限制区域265。活性区266在p-型传导性接触区域264上形成并一般包括多个量子井或类似的装置。在活性区266的上表面上形成n-型传导性接触区域268。
光发射区域256可包括一个另外的置于n-型传导性接触区域268的上表面上的n-型传导性接触区域270或可简单地使用接触区域268。活性区272在n-型传导性接触区域270上形成，或者，如果没有区域270的话，在区域268上形成，活性区272一般包括多个量子井或类似的装置。如上所述，在活性区272的上表面上形成p-型传导性接触区域274且在区域274中形成电流限制区域276。在p-型传导性接触区域274的上表面上形成p/n隧道结278，其中p表面接触区域274的上表面。在p/n结278的n表面上形成n-型传导性接触区域280。
在DBR 252的暴露的外表面上形成第一电接触部分285，以向光发射区域254提供一个DC输入并提供RF信号的回路。在n-型传导性接触区域268的暴露的外表面上放置DC回路电接触286，这样一般会在光发射区域256周围形成环接触。向光发射区域256施加DC并将RF控制信号用于VCSEL 250的另一个电接触287置于n-型传导性接触区域280的暴露的上表面上，这样一般会在DBR 258周围形成环接触。
因此，所述电接触中的每一个都置于n-型传导性接触区域上以提供电流扩散。所述p-型传导性接触区域被限制在一个位置，在这个位置中，所述p-型传导性接触区域接收已经扩散的电流并提供镇流电阻器类型的作用，以进一步使电流拥挤降到最小。而且，电流限制区域包括在所述p-型传导性接触区域中，以使它们对所扩散的电流产生最佳的影响，并使受限的电流不易再向外扩散。在以明确的顺序对所述制造方法进行了描述之后并将在权利要求书中作出主张时，本领域熟练的技术人员就会清楚可以用不同的顺序来实现各种各样的步骤和程序。因此，所描述的不同的制造步骤和权利要求中的主张并不意味着以任何方式对本发明进行限制，并且任何在本发明的范围内出现的顺序上的变化也包含在权利要求书中。

Claims (19)

1.一种制造具有工作波长的垂直腔表面发射激光器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供第一基片；
外延生长发射所述工作波长的光的光发射区域，所述光发射区域被置于所述第一基片上；
在邻近所述光发射区域的位置放置第一接触区域；
外延生长第一交替层的堆栈，所述第一交替层的堆栈由具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料组成，并位于所述光发射区域上，其中所述第一折射率实质上不同于所述第二折射率，以使所述第一交替层的堆栈形成第一镜；
将第二基片焊接粘合到所述第一交替层的堆栈；
去除所述第一基片以实质上暴露所述光发射区域；和
外延生长第二交替层的堆栈，所述第二交替层的堆栈由具有第三折射率的第三材料和具有第四折射率的第四材料组成，并位于所述光发射区域上，其中所述第三折射率实质上不同于所述第四折射率，以使所述第二交替层的堆栈形成第二镜；
在邻近所述光发射区域的位置放置第二接触区域，以使所述光发射区域夹在具有相反传导类型的所述两个接触区域之间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外延生长光发射区域的步骤还包括形成所述活性区的步骤，以使所述活性区位于一个第一包覆区域和一个第二包覆区域之间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二基片包括选自磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)和硅(Si)中的一种材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二交替层的堆栈中的至少一种包括AlGaAs合金，其中所述第一、第二、第三和第四材料层中的每一层的厚度都约等于所述工作波长的四分之一。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二交替层的堆栈中的至少一个包括氧化硅(SiO)和氧化钛(TiO)的交替层，且其中所述氧化硅(SiO)和氧化钛(TiO)的交替层中的每一层的厚度都约等于所述工作波长的四分之一。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二交替层的堆栈中的至少一个包括氟化镁(MgF)和硒化锌(ZnSe)的交替层，其中所述氟化镁(MgF)和硒化锌(ZnSe)的交替层中的每一层的厚度都约等于所述工作波长的四分之一。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述活性区包括多个量子结构，所述多个量子结构具有实质上等于所述工作波长的带隙波长，其中所述多个量子结构中的每一个包括量子井或量子点。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述多个量子结构中的每个量子结构位于量子阻挡层之间，其中每个量子阻挡层的带隙波长小于所述多个量子结构的带隙波长。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述活性区中的所述多个量子结构中的每个相邻的量子结构被隔开，以在所述每个相邻的量子结构之间出现结构干涉。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述活性区包括一个或多个阻挡层，所述阻挡层包括AlGaInAs合金，以提供改进的载体限制。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二交替层的堆栈中的至少一个包括AlGaAs合金。
12.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述第一或第二包覆区域中隔离注入氢离子(H+)或氦离子(He+或He++)，以形成光路径通道，所述光路径通道从所述第一交替层的堆栈向所述第二交替层的堆栈延伸。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作波长在大约从1.2μm到1.6μm的给定范围内。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接粘合的步骤包括使用粘合层，所述粘合层包括金/硅(Au/Si)、金/锡(Au/Sn)、金/锗(Au/Ge)或具有所希望的粘合性能的另一种适当的焊接材料中的至少一种。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述粘合层包括一个窗口，以使光发射穿过所述第二基片。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二传导类型中的至少一种的至少一个接触区域包括具有实质上不同的掺杂浓度的至少两层的相同传导类型。
17.如权利要求2所述的方法，还包括蚀刻一个穿过所述光发射区域的槽的步骤，以提供实质上的电流限制。
18.如权利要求17所述的方法，还包括形成底切槽的步骤，所述底切槽邻近于所述穿过光发射区域的槽，并在实质上延伸进入所述活性区、第一包覆区域和第二包覆区域中的至少一个，以提供实质上的电流限制。
19.一种制造具有工作波长的垂直腔表面发射激光器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供第一基片；
外延生长发射所述工作波长的光的光发射区域，所述光发射区域置于所述第一基片上，所述光发射区域包括活性区；
在所述光发射区域的一个表面上放置第一n-型传导性接触区域；且
在所述光发射区域的相对表面上放置的p-型传导性区域，在所述p-型传导性区域上放置其p+层与所述p-型传导性区域相邻的p/n隧道结，在所述p/n隧道结的相对侧上放置与所述p/n隧道结的n+层相邻的第二n-型传导性接触区域；
外延生长第一交替层的堆栈，所述第一交替层的堆栈由具有第一折射率的第一材料和具有第二折射率的第二材料组成并位于所述光发射区域上，其中所述第一折射率实质上不同于所述第二折射率，以使所述第一交替层的堆栈形成第一镜；
将第二基片焊接粘合到所述第一交替层的堆栈；
去除所述第一基片以实质上暴露所述光发射区域；
形成第二交替层的堆栈，所述第二交替层的堆栈由具有第三折射率的第三材料和具有第四折射率的第四材料组成并位于所述光发射区域上，其中所述第三折射率实质上不同于所述第四折射率，以使所述第二交替层的堆栈形成第二镜。
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