CN100372199C - 表面发光半导体激光元件 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

表面发光半导体激光元件
技术领域
本发明涉及一种表面发光半导体激光元件及其制造方法。更具体的，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-peaktransverse mode)发射激光的方法。
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 mesastructure)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30μm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-typemesa 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Al0.2Ga0.8As层和n型Al0.9Ga0.1As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Al0.9Ga0.1As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形成圆柱形台面柱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Al0.9Ga0.1As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具有抽出电极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DBR 92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Al0.2Ga0.8As层和n型Al0.9Ga0.1As层形成下DBR 84。通过层叠在异质界面上具有成分梯度层的25对p型Al0.2Ga0.8As层和p型Al0.9Ga0.1As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Al0.9Ga0.1As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DBR 92、AlAs层108、上覆盖层90、有源层88和下覆盖层86，直到露出下DBR 84的上表面，由此形成台面柱96。
在蒸汽气氛下在400℃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圆柱形电流限制区98B，和包括未被氧化并保留的p型AlAs层108的环形电流注入区98A。环形电流注入区98A被电流限制区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4μm或更小，如M.Grabherr等在IEEE.Photo，Tech.Lett.Vol.9，No.10，p.1304中所报道。但是，如果电流限制结构的面积是4μm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100Ω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先传播。
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。
日本未审专利申请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横向模式。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。
试验性的制造具有不同的上表面或台面柱形状的表面发光半导体激光元件，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，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，其复数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流注入区。
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镜和吸收开口的作用，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5×1018cm-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横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，由此本发明的表面发光半导体激光元件可与具有较高光学连接效率的光纤连接。
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模纤维(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1.3μm波段和1.55μm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。
按照本发明的另一个方面的表面发光半导体激光元件可方便的应用于各种领域，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。
附图说明
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；
图2是图1中的表面发光半导体激光元件的顶视图；
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；
图3B是描述对应于图3A的主要部分的功能的截面示意图；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
图10C是按照本发明的第四实施例的横向模式的波形；
图11是示出比较实施例中的表面发光半导体激光元件的结构的截面图；
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；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1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、Al0.3Ga0.7As下覆盖层16、GaAs发光层(有源层)18、Al0.3Ga0.7As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5×1018cm-3的p型GaAs接触层24。
下DBR 14具有约4μm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DBR 22具有大约3μm的总的膜厚度的半导体多层结构，包括25对p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.1Ga0.9As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40μm台面直径的圆柱形台面柱26，如图1和2中所示。
在上DBR 22中的有源层18上，配置氧化的电流限制层28，代替p型Al0.9Ga0.1As层。AlAs层28具有30nm的膜厚度，并包括具有12μm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Al0.9Ga0.1As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20μm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DBR 22。
绝缘层，即具有300nm膜厚度的SiO2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SiO2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35μm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DBR 22、接触层24和包括SiO2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14μm的内径以暴露出上DBR 22。
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12μm的直径，p侧电极具有14μm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DBR 22的光学元件。在表面发光半导体激光元件10中，位于上DBR 22上的接触层24、SiO2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SiO2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0.85μm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)(吸收系数)折射率。
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10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4μm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10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、SiO2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10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10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DBR 22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Al0.9Ga0.1As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DBR 22、上覆盖层20、有源层18、下覆盖层16和下DBR 14，以形成具有40μm的台面直径的柱形台面柱26。
具有台面柱26的叠层结构在400℃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12μm直径的环形AlAs层28A，在AlAs层28A周围配置氧化的铝层26B。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SiO2膜32。
如图6D所示，蚀刻SiO2以提供具有35μm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20μm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。
替换的表面发光半导体激光元件具有与表面发光半导体激光元件10的主要部分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5×1018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1×1019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，3×1019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52A上，如图9所示。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10A和10B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是横向模式的波形。
表面发光半导体激光元件以TE01模式发光(圆环状发光图)(donut-likelight emission pattern)。如图10A与10B所示，表面发光半导体激光元件包括：作为主要部分60，一包含如实施例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TE01模式高的该模式。因此，以TE01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TE01模式，则TE01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，确切的说干涉光学路径不同，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。
比较实施例
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。

Claims (6)

1.一种表面发光半导体激光元件，包括：
衬底，
配置在衬底上的下反射体，包括半导体多层，
配置在下反射体上的有源层，
配置在有源层上的上反射体，包括半导体多层，
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，和
具有配置在第一开口的内部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其复数折射率从第二开口中心向外变化的复数折射率分布结构，
具有配置在第一开口的外部以暴露化合物半导体层的第三开口的绝缘膜，该绝缘膜插入化合物半导体层与金属膜之间，其中金属膜、化合物半导体层和绝缘膜构成其复数折射率从第二开口中心向外变化的复数折射率分布结构。
2.根据权利要求1的表面发光半导体激光元件，其中在复数折射率分布结构中，复数折射率从第二开口的中心向外各向同性的变化。
3.根据权利要求1的表面发光半导体激光元件，其中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一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直径，和
各个化合物半导体层的每一层的杂质浓度从化合物半导体层的上层至下层台阶式的逐渐降低。
4.根据权利要求1的表面发光半导体激光元件，其中金属膜构成电极，化合物半导体层构成与金属膜欧姆接触的接触层。
5.根据权利要求1的表面发光半导体激光元件，还包括与上反射体、或下反射体上的有源层接近的电流限制层，其形成台面柱。
6.根据权利要求5的表面发光半导体激光元件，其中电流限制层在中心具有未氧化的电流注入区，其中未氧化的电流注入区配置在第一开口下面，具有5×1018cm-3的杂质浓度，并具有均匀的电流注入密度。
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