CN100407525C - 表面发光型半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

表面发光型半导体激光器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种发散角小、小信号特性优异及模式分配噪音少、且制造稳定性优异的表面发光型半导体激光器及其制造方法。本发明的VCSEL包括：下部半导体反射镜104；活性区域106；上部半导体反射镜110，与该下部半导体反射镜一起构成共振器；上部电极114，包含第一开口部分116，确定在上部半导体反射镜上所形成的活性区域上产生的激光的出射区域；光限制区域108、122，设置在上部电极114与下部半导体反射镜104之间，具有第二开口部分，确定激光的发光区域。上部半导体反射镜110包含有朝向基板侧凸面的透镜状介质124。

Description

表面发光型半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明系关于表面发光型半导体激光器，特别是关于作为光情报处理或光通讯用光源，或者利用光的数据存储装置的光源使用的表面发光型半导体激光器。
背景技术
表面发光型半导体激光二极管(Vertical Cavity Surface EmittingLaser diode：以下称为VCSEL)，是从半导体基板的表面发射出光的激光二极管；与边射型激光二极管相比，具有以下特征：(1)驱动电流小；(2)可以在芯片水平进行特性检查；(3)易于实际装配。
如图26所示，VCSEL于形成有下部电极1的基板2上，依次层积有下部半导体多层反射镜3、活性区域4、AlAs层5、及上部半导体多层反射镜6。上部半导体多层反射镜6的最上层是接触层7，以该接触层7为中介配制有上部电极8。上部电极8的中央开设有激光光出射窗确定的圆形开口9。基板2上，从上部半导体多层反射镜到下部半导体多层反射镜3的一部分，形成有圆筒状平台(mesa)或株状部分(post)10，株状部分10的下部、侧壁及顶部的一部分覆盖有层间绝缘膜11。再者为获得高的增益分布，氧化株状部分10的内部AlAs层5的周围以形成氧化区域12。
伴随近年数据通信容量的增大，对于容易与光纤结合且高速应答性优异的VCSEL有着更强烈的需求。作为与光纤、特别是塑料纤维结合效率较高的VCSEL，专利文献1提出柱状半导体堆积体的上面、激光出射面呈凸透镜状的VCSEL。上述专利文献1中，藉由使用半导体堆积体上形成凸透镜的VCSEL，激光光入射于传播损失特别大的塑料光纤时，可以实现增加激光输出的同时减小激光的发散角。
专利文献2提出了一种VCSEL，其中如图26所示，上部电极8上的开口9确定的开口直径d1与电流限制构造(氧化圈)12确定的开口直径d2在特定的范围内。藉由采用该构造，电流限制构造中产生的激光模式中，于发光点周围区域具有强电磁场分布的较高模式被遮蔽，可以减小发散角，藉此提高与光纤的结合效率。
专利文献3提出了一种包含产生光学损失的光学空洞以及与光学空洞结合的损失决定组件的VCSEL。损失决定组件随着与光学轴的侧方距离的增加，让光学空洞的光学损失渐进地增加，藉以即使激光电流增加，也可以抑制往多模态的转移，并可以单模态的高输出。
从横模式控制的观点所提案的发明例，则如专利文献4一般的VCSEL，其由共振反射镜所形成，其数共振反射镜为配置有具有4分的波长的奇数倍的厚度而被图案化的第一材料层、具有4分的波长的奇数倍的厚度的第二材料层、及与第一材料层相邻且折射率高于第一材料层的第三材料层。在此发明中，如图27所示，第一材料层300通过回焊(reflow)而形成曲面状后，覆盖上第二材料层302或根据所需覆盖上反射滤器304。第一材料层300是在反射镜的顶部上构成凸状的模态控制反射镜，其折射率的变化是从侧部往光轴慢慢地变大。通过这种折射率的平滑转移，进行模态控制。
VCSEL与边射型激光二极管不同的另一特征是，由于活性层的体积较小，故沿膜厚方向的模式，即垂直模式发出单一模式振动，而横向模式易于发出多模式振动。如非专利文献1所述，关于该横向模式已知，如果选择性去除特定模式，模式间的光输出波动变得不稳定，所谓模式分配噪音的数据传送时噪音增加。
【专利文献1】特开2000-76682
【专利文献2】特开2004-63707
【专利文献3】特开平10-56233
【专利文献4】美国专利第6727520号
【非专利文献1】IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.38，No.8，pp 1089-1096
然而，先前的表面发光型半导体激光器有如下课题。专利文献1揭示的VCSEL基本具有凸面，即透镜面出射口侧的曲率半径小于活性区域侧的曲率半径。如果透镜面具有凸面，从制造过程观点看，难于形成均匀厚度的层间绝缘层或上部电极金属膜且保持足够的密着力。因此，很难再现性很好地获得具有该等层间绝缘膜与上部电极材料模型的VCSEL。专利文献4也有相同的问题。
另外，专利文献1与专利文献4是采用通过回焊在上方形成凸状面，但是以上述方法形成的图案，基本上在面内不均很大，发散角度的面内不均也很大。因此，在要求耦合效率均匀性的VCSEL的阵列应用上，制造稳定性优良的结构是很难的。
非专利文献1中所述的模式分配噪音成为扰乱大信号特性，特别是眼状图的原因，建议多模式数据通信中全部振动模式都被输出。自激光器输出全部振动模式可由下述构造实现：由上部电极确定的开口直径d1等于或大于由电流限制构造强度的开口直径d2，但是存在着发散角增大、与光纤结合效率降低的问题。
截止目前的现状是还没有一种VCSEL方案，其再现性及制造稳定性优异、发散角小、小信号特性优异、且模式分配噪音小。
发明内容
本发明解决上述先前问题，提供一种发散角小、于小信号特性优异及模式分配噪音少、且制造稳定性优异的表面发光型半导体激光器及其制造方法。
本发明的表面发光型半导体激光器中，在上部半导体反射镜与作为上部电极功能的金属部分之间插入具有向下凸面的透镜状物质，藉此提供不仅于小信号特性具有优异制造稳定性、且发散角小，而且于大信号模式分配噪音少的VCSEL。
本发明的表面发光型半导体激光器含有：下部半导体反射镜；活性区域；上部半导体反射镜：与该下部半导体反射镜一起构成共振器；金属部分：形成于上部半导体反射镜上，并包含第一开口部分，确定活性区域上产生的激光的出射区域；光限域区域：设置于金属部分与下部半导体反射镜之间，含有第二个开口部分，确定激光光的发光区域，其中上部半导体反射镜在下部半导体反射镜侧具有凸面的透镜状介质。
上部半导体反射镜包含与金属部分接触的接触层，于该接触层内的一部分形成透镜状介质。透镜状介质含有与凸状面相对的平坦面，该平坦面与接触层的表面大致相同高度为宜。
凸状面并不一定整个面为球面，仅在部分，例如周边部(边缘)含有球面或曲面即可。例如，凸面可以是略球面状，也可以是非球面状。再者，凸状面的平坦面形状为与第一开口部分相对应的形状为宜。例如，若第一开口部分为圆形，凸状面的平坦面形状为圆形为宜。
凸状面的外径适宜比第一及第二开口部分的直径大，且第一开口部分的直径比第二开口部分的直径小。使第一开口部分的直径小于第二开口部分的直径，可以减小激光的发散角，同时易于多模式振动。再者，使凸状面的外径小于第一开口部分的直径，偏离光轴的高模式光不被金属部分遮蔽而由第一开口部分出射。这里，开口部分的直径，当开口部分的平坦面形状为圆时，是指其直径；开口部分为椭圆时，是指其长径与短径的平均值；开口部分为长方形时，是指其对角线的平均值。凸状面的外径也同样定义。
表面发光型半导体激光器也可以是在基板上把多数个株状部分形成阵列状的多点式(multispot type)。在各个株状部分的顶部，形成第一开口部，激光便可以从该处同时发射出来。各株状部分的顶部所射出的各个激光因为抑制了发散角，整体多点光的发散角也可以抑制。因此，与光纤的耦合效率也变得优异。
表面发光型半导体激光器例如把包含发光部的株状部分，通过灌胶(potting)或注料塑型(molding)进行树脂密封。树脂密封时，选择让射出的激光的波长穿过的树脂。树脂密封外，也可以利用锡密封、陶瓷密封等等方法。
本发明的表面发光型半导体激光器的制造方法包含以下步骤。基板上形成至少包含下部多层反射膜、活性区域及上部多层反射膜的多数半导体层的半导体积层体的步骤；在半导体层积层体上，形成具有朝向基板侧凸面凹处的掩膜图案的步骤；使用掩膜图案蚀刻半导体积层体、于半导体积层体的表面形成反映出掩膜图案形状的凸面凹处步骤；在半导体积层体的包含凸面凹处的区域上，被覆构成透镜状介质的层的步骤；通过去除透镜状介质的一部分，至少在半导体积层体表面的凸面凹处残留透镜状介质的步骤。
掩膜图案较好由正型抗蚀剂构成，该抗蚀剂曝光时，通过周边部分比中央部分的曝光能量小，形成凸面凹处。再者，也可使用透过率不同的灰度曝光抗蚀剂。
进一步本发明的其它制造方法包含以下步骤。基板上形成至少包含下部多层反射膜、活性区域及上部多层反射膜的多数半导体层的半导体积层体的步骤；半导体层积层体上，形成掩膜图案的步骤；使用掩膜图案对半导体积层体进行各向同性蚀刻，形成周边部分具有曲面的凹处的步骤；在半导体积层体的包含凸面凹处的区域上，被覆透镜状介质步骤；通过去除透镜状介质的一部分，至少在半导体积层体表面的凸面凹处残留透镜状介质的步骤。
【发明的效果】
本发明的表面发光型半导体激光器，上部半导体反射镜与金属部分之间，活性区域侧的曲率半径比电极部分侧的曲率半径小，藉由插入含有凸状面的透镜状介质，可以使偏离光轴的高模式激光光向光轴方向折射、减小发散角。因此，可以提供与光纤的结合效率得以提高、不仅是小信号特性优异，且模式分配噪音少的大信号特性优异的VCSEL。进一步，由于透镜状介质具有朝向下部半导体反射镜侧的凸面，与具有向上凸面的透镜状介质相比，可以形成均一厚度的层间绝缘膜或金属部分且具有足够的密着性、再现性良好，故可以改善制造稳定性。
另外，本发明不是回焊，通过在半导体工序已经确定的湿式或干式蚀刻法，形成凸状面。因此，可以提供面可以减少内不均且发散角乃至于与光纤的耦合效率都可均匀的表面发光型半导体激光阵列。
附图说明
图1A为表示本发明实施例1的VCSEL构成断面图；图1B为VCSEL示意顶视图。
图2为说明接触层膜厚的图。
图3A为表示本发明实施例2的VCSEL构成断面图；图3B为透镜状介质示意的放大断面图。
图4表示本发明实施例3的VCSEL构成断面图。
图5示意本发明实施例4的VCSEL制造步骤的断面图。
图6A-6C示意本发明实施例4的VCSEL制造步骤的断面图。
图7示意本发明实施例4的VCSEL制造步骤的断面图。
图8示意本发明实施例4的VCSEL制造步骤的断面图。
图9示意本发明实施例4的VCSEL制造步骤的断面图。
图10示意本发明实施例4的VCSEL制造步骤的断面图。
图11示意本发明实施例4的VCSEL制造步骤的断面图。
图12示意本发明实施例4的VCSEL制造步骤的断面图。
图13示意本发明实施例5的VCSEL制造步骤的断面图。
图14示意本发明实施例6的具有多点式阵列构造的VCSEL。
图15是显示多点式的VCSEL的驱动电路的结构图。
图16为实施例7的光模块的示意完成图。
图17显示出把形成有VCSEL的芯片进行封装的封装结构的剖面图。
图18为显示其它封装结构的剖面示意图。
图19为使用图17所示的封装或模块的光传送装置时的结构的剖面图。
图20显示空间传送系统的结构图。
图21显示光传送系统的结构的方块图。
图22是显示光传送装置的外观构成图。
图23显示光传送装置内部结构的示意图，图23(a)显示从上面切开时的内部构造图，图23(b)显示从侧面切开时的内部构造图。
图24显示利用图22的光传送装置的画像传送系统的图。
图25显示从内侧看的图22的画像传送系统的图。
图26表示先前的VCSEL构成的断面图。
图27表示先前的VCSEL构成的断面图。
符号的说明
100：n侧电极                    102：GaAs基板
104：下部半导体多层反射镜       106：活性区域
108：AlAs层                     110：上部半导体多层反射镜
112：接触层                     114：上部电极
116：出射口                     118：柱状部分部分(或平台)
120：层间绝缘膜                 122：氧化区域
124、140：透镜状介质            130：凹处
132：平坦上表面                 142：周边部分
150、152：蚀刻阻止层            200：掩膜图案
202：氮化膜
d1：上部电极的开口部分直径
d2：AlAs层的开口部分直径
具体实施方式
以下，参照实施例及图式详细说明本发明的表面发光型半导体激光器。
图1A为实施例1的VCSEL的断面构造图；图1B为VCSEL模式的俯视图。如图所示，于形成有n-侧下部电极100的GaAs基板102之上，依次堆积有n型下部半导体多层反射镜、活性区域106、p型的AlAs层108、p型的上部半导体多层反射镜110等半导体薄膜。上部多层反射镜110中的最上层为p型GaAs形成的接触层112。接触层112之上形成p侧上部电极114。于上部电极114的中央，形成圆形射出口116。再者，基板以上至下部电极半导体多层反射镜104的一部分为止，形成圆筒状平台(mesa)或柱状部分部分(post)118。柱状部分部分118的底部、侧面及顶部的一部分覆盖有层间绝缘层120。柱状部分部分118的AlAs层108的周围形成氧化区域122、形成光限制区域或电流限制层。
本实施例的VCSEL的特征之一在于，上部半导体多层反射镜110的接触层112的一部分被以球面状或曲面状去除。该去除后区域以透镜状介质124填充，或以透镜状介质覆盖该区域。透镜状介质124与接触层112之间的边界面具有朝向基板侧的凸面，与凸面相对的平坦面，与接触层112具有同一高度。
本实施例中，于发光点周围(偏离光轴位置)有强电磁场分布的较高模式光，在位于上部电极114之下的具有凸面透镜状介质124与接触层112的边界处向光轴方向折射。较此更高模式的光从出射口116被放射而没有被上部电极114遮蔽。因此，从VCSEL活性区域共振的所有模式都从出射口116输出，可以得到模式分配噪音受到抑制的VCSEL。同时，放射出的高模式因折射而被弯曲，故发散角的增加被抑制、提高了与光纤的结合效率。
进一步，本实施例中透镜状介质124具有向下侧凸的构造，与先前形成具有向上凸构造的透镜时相比，层间绝缘膜120或上部电极114可以足够密着性且再现性良好地形成均一膜厚。更为具体而言，透镜状介质124形成后，形成柱状部分部分118，其后进行层间绝缘膜120及上部电极114的图案制备。此时，材料的涂布、照相平版印刷及蚀刻等步骤仅影响柱状部分部分顶部的平坦面，故可以控制性及再现性良好地形成高精度的图案。
构成透镜状介质的物质，可以使用例如SiO2，TiO2，Al2O3，MgO，Ta2O5，MgF2，HfO2，ZrO2等绝缘膜；SiN，SiON，SiNx，SiNxOy，TiN，ITO等氮化膜或透明导电膜。因为VCSEL上的应力可以被抑制到最小，故使用SiN，SiON，SiNx，SiNxOy等硅氮化膜为宜。
透镜状介质124的曲率半径r的范围在大于等于5μm、小于等于2000μm为佳，较佳为大于等于100μm、小于等于1000μm，因为在此范围内高次模式可有效被折射，且加工控制性容易。特别是曲率半径r未满5μm时，由于加工时有可能损伤上部半导体多层反射镜，故不适宜。
透镜状介质124适宜采用如下构造：于接触层120内，即上部电极114的出射口116确定的开口部分的直径d1的下方形成，且直径d1较由氧化区域122包围的氧化开口(AlAs层108)的开口部分直径d2为小。直径d1比直径d2小的情形下，可降低发散角，并且可以得到低温下调制性能优异的VCSEL。可以得到低温时调制性能良好的原因被认为是，由于电极重迭于活性层区域的一部分，低温时活性层周围部位非均匀分布的载流子容易向活性层中心部分移动。然而，被透镜状介质折射的较高模式不被上部电极114遮蔽的构造为宜。
上部电极114的开口部分(出射口116)为圆形时，开口部分的直径d1是指圆形的直径；为椭圆形状时，是指椭圆形状的长径与短径的平均值；开口部分为长方形时，是指2个对角线的平均值。氧化开口的直径d2也同样定义。透镜状介质124的外形适宜与出射口的形状相对应。如果出射口为圆形，透镜状介质124的外形为圆形。
出射口116的开口径d1为大于等于5μm、小于等于30μm为宜。开口径d1小于氧化开口的开口径d2的情形下，有载流子均一分布于整个活性层的倾向，可以抑制低温下的发散角增加。因此，氧化开口的开口径d2为大于等于5μm、小于等于20μm为宜，更佳为大于等于7μm、小于等于15μm。未满5μm，则VCSEL的静电耐压下降；若超过20μm，则有高速应答性下降的倾向。
电流限制构造可以从已知步骤中适宜选择，这些已知步骤包括表面照射氢离子部分降低电导的灌输型VCSEL、从外侧氧化AlAs层108形成绝缘层的氧化型VCSEL。适宜提供一个含有因氧化而得的高阻抗区域的电流限制构造，从而耗电小，且电流-光输出特性没有扭结出现。
与透镜状介质有接合面的接触层112的膜厚使用图2说明。接触层112有一个因其表面的一部分被以曲面状或球面状去除形成凹处130，和没有去除的平坦的上面132。平坦上面132的膜厚记做T1、接触层112的中心部分的膜厚记做T2。膜厚T1是接触层112的最大膜厚。该厚度T1为大于等于5nm、小于等于500nm，更佳为大于等于100nm、小于等于300nm。最大膜厚T1超过500nm，则高模式于接触层112处被吸收，不能被放射；未满50nm，则高模式在与透镜状介质124的境界面处没有充分折射，减小发散角及减少模式分配噪音效果变差。
进一步若接触层112的膜厚T1与接触层112紧接下方的上部半导体多层膜110的最上层的和略等于λ/(4neff)的奇数倍，可以不损害共振器功能而共振反射激光，故特别适宜。这里，λ为振动波长，neff是指由接触层及上部半导体多层膜的最上层的膜厚及折射率决定的实际折射率。
再者，接触层112的中心部分的膜厚T2为最小膜厚。膜厚T2为小于等于50nm为宜，更佳为小于等于20nm。最小膜厚超过50nm，则低模式被吸收，光输出不足。膜厚T2包括接触层112被全部蚀刻掉的状态，即为零。
以下说明本发明的实施例2。图3A表示实施例2的VCSEL的断面，图3B为透镜状介质的模式的放大断面图。与实施例1的VCSEL的不同点在于透镜状介质的形状，换而言之，是接触层112的凹处形状不同。透镜状介质140有向基板侧的凸面，仅在透镜状介质140的圆周方向的周边部分142有凸面，而在周边部分142的其余区域144有平坦面。该情形下，接触层112的厚度T1，T2遵循图2所示的适宜条件，但是接触层112在凹处130处的厚度T2可以是一定厚度，也可以是零以露出下层。
实施例2的透镜状介质与实施例1同样，可以藉由透镜状介质的周边部分142的曲面折射在偏离光轴的位置产生的高模式光，可以从出射口116射出，藉此可以射出多模式的全部模式，并抑制发散角度。
本发明的实施例3的VCSEL断面构造示于图4。实施例3的VCSEL除了在接触层112的紧接下方插入蚀刻阻止层150之外，其余构造与实施例1的VCSEL相同。形成透镜状介质124示，于接触层112表面的一部分形成凹处130(参照图2)。此时，中心部分的膜厚T2可以为零，蚀刻难于高精度控制，蚀刻阻止层150的存在防止过度蚀刻对作为下地的半导体多层反射膜的损伤。蚀刻阻止层150的材料是相对于接触层112具有良好蚀刻选择比的物质。
蚀刻阻止层不仅在实施例1的VCSEL中采用，实施例2的VCSEL中也采用。
以下说明本发明的实施例4。实施例4系关于上述实施例3的VCSEL的制造方法，参照图5至图12说明。如图5所示，于n型GaAs基板102的(100)面上，藉由MOCVD(金属有机化学气相沉积过程)依次层积：下部半导体多层反射膜104：由n型Al0.8G0.2As层与n型Al0.1Ga0.9As层的多数层积层体构成；活性区域106：由非掺杂的Al0.4Ga0.6As层构成的空间层与非掺杂的Al0.2Ga0.8As层构成的屏障层与非掺杂的GaAs层构成的量子阱层的积层体构成；上部多层反射膜110：由p型AlAs层108、p型Al0.8Ga0.2As层与p型Al0.1Ga0.9As层的多数层积层体构成；蚀刻阻止层150：由GaInP构成；接触层112：由p型GaAs层构成。
下部半导体多层反射镜104由n型Al0.8Ga0.2As层与n型Al0.1Ga0.9As层的多个层积层体构成。各层的厚度相当于λ/4nr(其中，λ为振动波长，nr为介质中的光学折射率)，混晶比不同的层以36.5周期交替层积。硅掺杂作为n型杂质后的载流子浓度为3×1018cm-3。
活性区域106由非掺杂的GaAs层构成的厚度8nm的量子阱层与非掺杂的Al0.2Ga0.8As层构成的厚度5nm的屏障层交替层积(其中，外层为屏障层)的积层体构成；配制于由非掺杂的Al0.4Ga0.6As层构成的空间层的中央部分，并且设计为含有量子阱活性层与屏障层的空间层厚度为λ/4nr的整数倍。自该等构成的活性区域106可得到波长850nm的激光光。上部半导体多层反射镜110由p型Al0.8Ga0.2As层与p型Al0.1Ga0.9As层的多数半导体层构成的积层体；各层的厚度与下部半导体多层反射膜104同样为λ/4nr的、混晶比不同的层交替积层22周期。该周期数包括下层设置的AlAs层108及上层设置的接触层112。AlAs层108中构成厚度λ/4nr的材料不一定全部是AlAs，相反，AlAs层108太厚会带来增加光学散射损失的问题。因此，AlAs层的厚度为30nm，其余部分为Al0.9Ga0.1As。碳掺杂作为p型杂质后的载流子浓度为3×1018cm-3。由GaInP构成的蚀刻阻止层150具有如下功能：干式蚀刻时可防止过度蚀刻对下地上部多层反射膜的损伤。由p型GaAs层构成的接触层112厚度为200nm，锌掺杂作为p型杂质的载流子浓度为1×1019m-3。其后，半导体基板上积层有半导体多层反射膜104、活性区域106、包括AlAs层108、蚀刻阻止层150及接触层112的上部半导体多层反射膜110的激光基板从生长室中取出，使用抗蚀剂掩膜形成曲面状图案。如图6A所示，于作为上部半导体多层反射镜110最上层的接触层112之上，形成具有凸面凹处的抗蚀剂等掩膜图案200后，如图6B所示，干式蚀刻掩膜图案200与接触层112，使得掩膜图案200的形状直接转印于下地接触层112。然后，去除掩膜图案200，如图6C所示，形成具有球面状和曲面状凹处130的接触层112。具有凸面凹处的掩膜图案的形成方法，例如利用正抗蚀剂作为掩膜，曝光能量设定在较低水平，并在曝光部分的抗蚀剂全部消失的瞬间现像的方法。或者，使用局部控制点的密度或银原子的浓度的灰度灰度掩膜(光透过率不同掩膜)曝光抗蚀剂，形成中央部分带有曲面状倾斜的掩膜图案。于是，半导体积层体的表面上形成凹处130(参照图7)。其后，如图8所示，含有凹处130的接触层112上，形成特定厚度的由SiN等构成的氮化膜202。氮化膜202具有足以覆盖凹处130的厚度。接着，如图9所示，藉由CMP等平坦化处理去除一部分氮化膜202及接触层112，接触层112的凹处130内残留有氮化膜202。接触层112的上面形成平坦面，其表面的一部分形成具有向基板侧凸面的透镜状介质124。然后，藉由照相平版印刷与异向性蚀刻法进行加工，形成如图10所示的圆柱状株状部分118。此时的蚀刻深度到达活性区域106的一部分，因为在稍后的氧化步骤中AlAs层108从株状部分侧面被氧化。总之，氧化型VCSEL的情形，自株状部分侧面至少AlAs层108露出为宜。蚀刻深度也可以越过活性区域106延至下部半导体多层反射膜104的一部分。基板上形成株状部分118之后，如图11所示，半导体基板于含氮气的载气(流量：2升/分)、340℃的水蒸气环境气中放置40分钟，进行氧化处理。由上部多层反射膜110的一部分构成的AlAs层108的氧化速度，与由相同的一部分构成的Al0.8Ga0.2As层或Al0.1Ga0.9As层相比明显加快。因此，在作为株状部分内一部分的活性区域106的紧接上方形成反映出株状部分形状的圆形氧化区域122，没有氧化的非氧化区域(氧化开口)成为电流注入区域或导电区域。即氧化区域20形成电流限制部位，同时具有光限制功能，因为光折射率只有周围半导体层的一半左右。然后，于基材的上表面包括裸露的株状部分侧面形成氧化硅等绝缘膜后，以形成图案去除绝缘膜仅在株状部分顶部的一部分露出接触层112，形成如图12所示的层间绝缘膜120。此时因为株状部分顶部是平坦面，层间绝缘膜可以形成均一厚度并表现高的密着力。接着，如图4所示，于株状部分顶部形成p型上部电极114，与接触层122实现电接触。上部电极114被patterning以形成圆形开口部分及出射口116。最后在基板102的里面形成n侧电极100，得到实施例3的VCSEL。
以下，说明本发明的实施例5。实施例5系关于上述实施例2的VCSEL的制造方法。与实施例4同样积层下部半导体多层反射膜104、活性区域106、AlAs层108、上部半导体多层反射膜110、蚀刻阻止层152、及接触层112。与实施例4不同的是实施例5中适宜AlAs作为蚀刻阻止层152。积层有多数半导体层的基板从生长室中取出，于接触层112上使用抗蚀剂等掩膜形成掩膜图案。其后，使用硫酸等蚀刻剂对接触层112实施各向同性湿法蚀刻，仅在接触层112的周边部位形成曲面状凹型图案。接触层112中央部分的膜厚T2为小于等于50nm为宜，也可全部藉由蚀刻去除。接触层112的紧接下方设置有与GaAs层选择比不同的AlAs蚀刻阻止层152，故可以防止下地层蚀刻损害。
以后的步骤与实施例4同样进行，最终可以得到备有仅在周缘部位有曲面的透镜状介质的VCSEL。
虽然实施例5中列举藉由湿法蚀刻于接触层112形成凹型图案的例子，也可藉由各向同性干法蚀刻形成。蚀刻阻止层的材料，使用湿法蚀刻时AlAs为宜；以干法蚀刻加工时GaInP为宜。但是如果相对于接触层112有良好的选择比，则并不限于此。
由上述本发明的实施例可知，该等具有均一厚度且良好生产稳定性的VCSEL可以再现，因为形成接触层112上的层间具有膜120及上部电极114时株状部分顶部表面基本是平的。
本发明的各实施例中使用GaAs作为构成量子阱层的材料，然而本发明并不限定于该材料，例如可以使用AlGaAs，InGaAs，或GaInNAs等3～5族化合物半导体材料。另外，记述了使用MOCVD作为晶体生长方法，然而不限定于该方法，藉由其它方法积层半导体层也可。例如，可以使用分子束外延(MBE)法等。
进一步，例举了透镜状介质的平坦化处理时使用CMP的例子，然而除此之外也可以藉由公知回蚀方法进行平坦化处理。
接着，说明本发明实施例6。在实施例1至5中，在基板上形成单一株状部分，显示出从株状部分顶部射出激光的单点式(single-spottype)的VCSEL。但是，实施例6如图14所示，为具有多点式阵列构造的VCSEL。如该图所示，在n型的GaAs晶圆210上形成多数个芯片212，各芯片212上把多数个株状部分(或台地(mesa))220形成阵列状。图中的例子是显示出3×3的矩阵状排列的株状部分220，但是株状部分的数量以及排列可以根据目的与用途做适当的变更。排列是一维的(线状)也可以。
图15是显示驱动多点式的VCSEL的电路的结构图。激光二极管驱动器(LDD)230响应于输入的驱动控制信号，把相同的驱动信号240提供给形成在基板上的多数个株状部分220-1～220-n。此相同的驱动信号240是共同连接于VCSEL的n侧电极100及各株状部分的p侧电极114。藉此，各柱状部分同时被驱动，通过柱状部分的顶部的出射口116，多数个激光沿着与基板垂直的方向同时射出。LDD230的驱动信号240转换成光信号，整体成为一个光信号，入射到例如光纤等。
接着，说明本发明实施例7的多点式VCSEL的光模块。图16为本实施例的光模块的示意图。把柱状部分排列成阵列状的VCSEL阵列芯片250，透过导电性黏着剂安装到导线架252的安装部，芯片上的电极与导线架侧电极通过焊腺(bonding wire)进行电气连接，之后通过环氧系树脂等的材料进行灌胶(potting)或注料塑型(molding)。进行树脂密封的材料可以使用对柱状部分所射出的光的波长具有穿透性的材料。
经过修边与发泡工序，一边驱动VCSEL阵列250，一边通融接耦合经过连接器256对光纤254进行对准，以使耦合效率为最大。在此，显示出从多点式的多数柱状部分所射出的多数激光入射到一条光纤中的状态。藉此，可以获得由光纤254与VCSEL阵列250所构成的光模块260。
特别是，本实施例的表面发光型激光器构造中，因为包含上部半导体反射镜在下部半导体反射镜侧具有凸状面的透镜状介质，所以可以获得稳定的光模块，其各表面发光型激光器的出射口与光纤的耦合效率的不均可以减少，且数据信号质量不均也可减少。另外，阵列芯片250除了树脂密封外，还可以是锡密封或陶瓷密封。
图17显示出封装了单点式或多点式的VCSEL芯片的结构的剖面图。封装300是把形成有VCSEL的芯片310通过导电性黏着剂320固定在圆盘状的金属台(metal stem)上。导电性导脚340、342插入形成于台330的贯通孔(图式省略)，其中之一的导脚340电气连接到形成在芯片310的背面的n侧电极，另一个导脚342通过焊腺等电气连接到形成在芯片310表面的p侧电极。矩形的中空封盖350固定在包含芯片310的台330上，球透镜360固定在封盖350的中央开口内。球透镜360的光轴定位成实质上与芯片310的阵列的中心一致。若在导脚340、342间施加顺向电压，激光从芯片310的各台地射出。芯片310与球透镜360的距离为调整成使球透镜360包含在芯片310发出的激光的放射角度θ内。另外，在封盖内，也可以使包含用来监控VCSEL的发光状态的受光组件。
图18为显示其它封装的结构图，较佳来说是使用于后述的空间传送系统。该图所示的封装302是把平板玻璃362固定在封盖350的中央的开口内，以取代先前使用的球透镜360。平板玻璃362的中心定位成实质上与芯片310的中心一致。芯片310与平板玻璃362的距离为调整成平板玻璃362的开口孔径大于或等于芯片310发出的激光的放射角度θ。
图19为把图17所示的封装或模块应用到光传送装置时的结构的剖面图。光传送装置400为包含固定在台330的圆统状框体410、与框体410的端面一体成型的衬套420、保持在衬套420的开口422内的套圈(ferrule)430及被套圈430固定的光纤440的结构。框体410的端部被固定在台330的圆周方向上所形成的凸缘(flange)332上。套圈430正确地定位在衬套420的开口422中，光纤440的光轴与球透镜360的光轴整合。光纤440的芯线保持在套圈430的贯穿孔432内。
从芯片310的表面射出的激光被球透镜360聚光，聚集的光入射到光纤440的芯线，再被传送。在上例中是使用球透镜360，但是除此之外，也可以使用双凸透镜或平凸透镜等的其它种透镜。其次，光传送装置400也可以包含施加电气信号给导脚340、342的驱动电路。另外，光传送装置也可以包含通过光纤440接收光信号的接收功能。
图20显示把图18所示之封装使用于空间传送系统时的结构图。空间传送系统500包含封装300、聚光透镜510、扩散板520及反射镜530。由聚光透镜510所聚集的光通过反射镜530的开口532，被扩散板520反射，其反射光往反射镜而被反射。反射镜530使反射光往预定的方向反射，进行光传送。因为使用多点式的VCSEL，可以把高输出且发散角被抑制的激光使用在光传送上。
图21显示利用VCSEL为光源的光传送系统的一个结构例的图。光传送系统600具有：包含形成有多点式VCSEL芯片310的光源610、进行光源610发出的激光的聚光等的光学系统620、接收光学系统620输出的激光的受光部630及控制光源610的驱动的控制部640。控制部640把驱动VCSEL的驱动脉冲信号提供给光源610。光源610所放出的光通过光学系统620，利用光纤或空间传送用的反射镜等，传送到受光部630。受光部630通过光检测器等检测出接收的光。受光部630可以通过控制信号650，控制控制部640的动作(例如光传送的开始时序)。本发明的多点侧的VCSEL因为在全部的区域具有不会降低大输出的光束轮廓，所以受光部630不管在什么区域都可以适切地进行激光的检测。
接着，说明在光传送系统中所利用的光传送装置的结构。图22是显示光传送装置的外观构成图，图23显示其内部结构的示意图。光传送装置700具有机壳710、光信号传送/接收连接器接合部720、发光/受光组件730、电气信号缆线接合部740、电源输入部750、显示动作中的LED 760、显示发生异常的LED 770、DVI连接器780以及传送电路基板/接收电路基板790。
使用光传送装置700的画像传送系统显示于图24与图25。在这些图中，画像传送系统800为了把画像信号产生装置810产生的画像信号传送到液晶显示器等的画像显示装置820，利用图22所示的光传送装置。也就是说，画像传送系统800包含画像信号产生装置810、画像显示装置820、DVI用电气缆线830、传送模块840、接收模块850、画像信号传送光信号用连接器860、光纤870、控制信号用电气缆线连接器880、电源适配器890以及DVI用电气缆线900。
在上述画像传送系统中，画像信号产生装置810与传送模块840之间以及接收模块850与画像显示装置820间是以电气缆线830、900来进行电气信号的传送，但是其间的传送也可以光信号进行。例如，把电气-光变换电路以及光-电气变换电路包含于连接器中的信号传送用电缆，使用来取代电气缆线830、900也是可以。
上述实施例仅为举例，本发明的范围并非限定于此，在满足本发明构成要素的范围内可以藉由其它方法实现本发明。
【产业上利用可能性】
本发明的表面发光型半导体激光器，可于基板上单独或排列呈两维形成，可作为光通信或光记录等的光源而利用。

Claims (30)

1.一种表面发光型半导体激光器，具有：
下部半导体反射镜；
活性区域；
与该下部半导体反射镜一起构成的上部半导体反射镜；
金属部分，形成于上部半导体反射镜上，并包含第一开口部分，确定活性区域上产生的激光的出射区域；及
光限制区域，设置在金属部分与下部半导体反射镜之间，并具有第二开口部分，确定激光发光区域；
其特征在于：上部半导体反射镜在下部半导体反射镜侧具有凸面的透镜状介质，以及
上部半导体反射镜包含与金属部分接触的接触层，并在该接触层内的一部分上形成有透镜状介质。
2.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：透镜状介质具有与凸状面相对的平坦面。
3.如权利要求2所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：接触层的表面与透镜状介质的平坦面具有实质上相同的高度。
4.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：透镜状介质的凸面为球面。
5.如权利要求4所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：透镜状之介质的曲率半径为大于或等于5μm，小于或等于2000μm。
6.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：透镜状介质的凸面仅在周边部分有曲面。
7.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：接触层中没有与透镜状介质相接部分的膜厚T1为50nm≤T1≤500nm，与透镜状介质相接部分的膜厚T2为T2≤50nm。
8.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：透镜状介质凸面的外形比第一开口部分及第二开口部分的半径都大。
9.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：第一开口部分比第二开口部分的直径要小。
10.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：透镜状介质包含介电体膜、氮化膜或透镜导电体膜中至少一种。
11.如权利要求10所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：透镜状介质含有SiO2，TiO2，Al2O3，Ta2O5，MgO，MgF2，HfO2，ZrO2，SiN，SiON，TiN，ITO中的至少一种。
12.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：接触层含有GaAs，该接触层的正下方含有AlAs层或GaInP层。
13.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：表面发光型半导体激光器为多模式振动。
14.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：光限制区域包含Al被氧化的高阻抗区域及由该高阻抗区域所围住的导电区域。
15.如权利要求1所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：包含在基板上多数个第一开口部被形成阵列状的激光阵列。
16.如权利要求15所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：多数个第一开口部是位于基板上所形成的多数个柱状部分的顶部。
17.一种封装结构，其特征在于：把如权利要求1所述之表面发光型半导体激光组件所形成的半导体芯片进行封装。
18.一种光学模块，其特征在于：包含：如权利要求1所述之表面发光型半导体激光组件所形成的半导体芯片、及与半导体芯片发出的激光相结合的光传送媒体。
19.一种光传送装置，其特征在于：包含：如权利要求17所述之封装结构、及对从封装结构发出的光进行传送的传送装置。
20.一种表面发光型半导体激光器的制造方法，其特征在于：包含：
在基板上形成多个半导体层的半导体积层体，多个半导体积层体至少包含下部多层反射膜、活性区域及上部多层反射膜；
在半导体积层体上形成掩膜图案，掩膜图案具有朝向基板侧凸面凹处；
使用掩膜图案蚀刻半导体积层体、于半导体积层体的表面上形成反映出掩膜图案形状的凸面凹处；
在半导体积层体的包含凸面凹处的区域上，被覆构成透镜状介质的层；及
通过去除透镜状介质的一部分，至少在半导体积层体表面的凸面凹处残留透镜状介质。
21.如权利要求20所述之表面发光型半导体激光器，其特征在于：透镜状介质为自介电体膜、氮化膜、或透明导电体膜中选出的一种或多种膜。
22.如权利要求20所述之制造方法，其特征在于：掩膜图案由正型抗蚀剂构成、曝光该抗蚀剂时，通过周边部分的曝光能量比中央部分小，形成凸面凹处。
23.如权利要求20所述之制造方法，其特征在于：掩膜图案由抗蚀剂形成，该抗蚀剂使用透过率不同的灰度掩膜而被曝光，形成凸面凹处。
24.如权利要求22或23所述之制造方法，其特征在于：半导体积层体表面上形成凸面凹处的步骤包含同时干法蚀刻抗蚀剂掩膜与半导体积层体的步骤。
25.一种表面发光型半导体激光器的制造方法，其特征在于：包含；
在基板上形成至少包含下部多层反射膜、活性区域及上部多层反射膜的多数半导体层的半导体积层体；
在半导体积层体上，形成掩膜图案；
使用掩膜图案对半导体积层体进行各向同性蚀刻，形成周边部分具有曲面的凹处；
在半导体积层体的包含凸面凹处的区域上，被覆透镜状介质；及
通过去除透镜状介质的一部分，至少在半导体积层体表面的凸面凹处残留透镜状介质。
26.如权利要求20或25所述之制造方法，其特征在于：去除透镜状介质步骤包含藉由CMP的平坦化处理。
27.如权利要求20或25所述之制造方法，其特征在于：去除透镜状介质步骤包含藉由回蚀的平坦化处理。
28.如权利要求20或25所述之制造方法，其特征在于：半导体积层体于形成凸面凹处或周边部分有曲面的凹处的层的正下方包含蚀刻阻止层。
29.如权利要求20或25所述之制造方法，其特征在于：还包含蚀刻半导体积层体，于基板上形成株状部分；及氧化该株状部分内的至少含Al的层，形成电流限制层。
30.如权利要求29所述之制造方法，其特征在于：在基板上以阵列状形成多数个株状部分。
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