CN100426605C - 垂直腔面发射激光器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器及其制造方法。本发明的所述垂直腔面发射激光器包括：一衬底、一第一反射器、一活性层、一第二反射器、一第一电极层和一第二电极层。所述第二反射器具有一有一第一孔径的第一限制层，和一有一第二孔径的第二限制层。所述第二孔径小于所述第一孔径。根据本发明，由于所述第二限制层以下列方式形成：将氧离子注入所述第二反射器并进行加热，以使得所述氧离子与所述第二反射器内的铝成分反应而形成氧化层，因而，所述第二限制层可用作一光学和电子限制层。因此，可精确且容易地实现所述第二限制层的宽度和厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器及其制造方法，并且尤其涉及一种以较高良率和可控制的方法来制造一垂直腔面发射激光器的方法。
背景技术
参看图1，常规垂直腔面发射激光器10包括：一衬底11、一第一反射器12、一活性层13、一第二反射器14、一接触层15、一第一电极层16和一第二电极层17。衬底11具有一第一表面和一第二表面。第一反射器12形成在衬底11的第一表面上。活性层13形成在第一反射器12上。第二反射器14形成在活性层13上。接触层15形成在第二反射器14上。第一电极层16形成在接触层15上。第二电极层17形成在衬底11的第二表面上。
第二反射器14包括一形成在第二反射器14内的电流限制层141。电流限制层141具有一孔径。在垂直腔面发射激光器10中，由于作为发射面积的活性层15的面积较小，所以输入电流必须限制在第二反射器14的孔径中，以便获得更高的电流密度。用来形成电流限制层141的常规方法为氢离子注入法和高温湿式氧化法。氢离子注入法是用具有高能量的离子注入器将氢离子注入第二反射器14中，以形成电流限制层141。高温湿式氧化法是对Al材料进行氧化以形成电流限制层。用高温湿式氧化法制成的电流限制层具有更良好的光学和电子限制效应。然而，由于制造过程中存在高温蒸汽，所以用高温湿式氧化法制成的垂直腔面发射激光器的稳定性和良率不佳，而且很难在用高温湿式氧化法制造的电流限制层中形成一小孔径。
因此，必须提供一种垂直腔面发射激光器及其制造方法，以便解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种垂直腔面发射激光器。所述垂直腔面发射激光器包括：一衬底、一第一反射器、一活性层、一第二反射器、一第一电极层和一第二电极层。所述衬底具有一第一表面和一第二表面。第一反射器形成在衬底的第一表面上。活性层形成在第一反射器上。第二反射器形成在活性层上。第二反射器具有一第一限制层和一第二限制层。第一限制层具有一第一孔径，并且第二限制层具有一第二孔径。第二孔径小于第一孔径。第一电极层形成在第二反射器上。第二电极层形成在衬底的第二表面上。
本发明的另一目标是提供一种制造垂直腔面发射激光器的方法，其包括以下步骤：(a)提供一衬底，所述衬底具有一第一表面和一第二表面；(b)在衬底的第一表面上形成一第一反射器；(c)在第一反射器上形成一活性层；(d)在活性层上形成一第二反射器；(e)在第二反射器中形成一第一限制层，所述第一限制层具有一第一孔径；(f)在第二反射器中形成一第二限制层，所述第二限制层具有一第二孔径，第二孔径小于第一孔径；(g)在第二反射器上形成一第一电极层；并且(h)在衬底的第二表面上形成一第二电极层。
根据本发明，由于第二限制层是以以下方式形成的：将氧离子注入所述第二反射器并进行加热，以使得所述氧离子与所述第二反射器内的Al成分反应而形成氧化层，所以所述第二限制层可用作一光学和电子限制层。因此，可精确且容易地实现所述第二限制层的宽度和厚度。
附图说明
图1显示了一常规的垂直腔面发射激光器。
图2显示了一根据本发明的垂直腔面发射激光器。
图3显示了一根据本发明的垂直腔面发射激光器的俯视图。
图4A到4C说明了根据本发明的垂直腔面发射激光器的制造方法。
具体实施方式
参看图2，根据本发明，垂直腔面发射激光器20包括：一衬底21、一第一反射器22、一活性层23、一第二反射器24、一第一电极层26和一第二电极层27。衬底21可为一n+型GaAs或InP衬底。衬底21具有一第一表面211和一第二表面212。第一反射器22形成在衬底21的第一表面211上。第一反射器22是一具有许多对层面的分布布拉格反射器(DBR)。每对层面都形成为分级掺硅n+型AlxGa(1-x)As/AlAs结构，其中x在0.12到1之间变化，并且1-x在0.88到0之间变化。
活性层23形成在第一反射器22上。活性层23包括复数个具有无掺杂的GaAs和AlyGaAs的量子阱，其中y在0.3到0.6之间变化。第二反射器24形成在活性层23上。第二反射器24是一具有许多对层面的分布布拉格反射器(DBR)。每对层面都形成为分级掺锌或掺碳p+型AlzGa(1-z)As/AlAs结构，其中z在1到0.12之间变化，并且1-z在0到0.88之间变化。
活性层23用来产生辐射光束。第一反射器22和第二反射器24用来反射辐射光束。第二反射器24用来穿过激光光束。第二反射器24具有一第一限制层241和一第二限制层244。第一限制层241具有一第一孔径246，并且第二限制层244具有一第二孔径247。第二孔径247小于第一孔径246。第二限制层244可用作光学和电子限制层。可精确且容易地实现第二限制层244的宽度和深度。因此，可精确地控制第二孔径2 4 7的大小，以便控制穿过第二孔径247的电流。
第二反射器24进一步包括一与第二限制层244的形状相对应的开槽242。参看图3，开槽242形成为圆形。开槽242并不局限于圆形，且可以为方形或其他形状。可用开槽242来容易地形成第二反射器24。
再次参看图2，本发明的垂直腔面发射激光器20进一步包括一接触层25，其形成在第二反射器24上。接触层25为一高掺杂GaAs层，且用来电性接触第一电极层26。第一电极层26形成在接触反射器25上。第一电极层26包括一对应于开槽242的开口。第二电极层27形成在衬底21的第二表面212上。第一电极层26和第二电极层27连接到一电源，以便形成一驱动电流通路。所述驱动电流的方向与激光光束的方向平行。
第一反射器22、活性层23、第二反射器24、接触层25、第一电极层26和第二电极层27可由从下列各物中选出者来形成：III-V和II-VI族化合物半导体GaAs、AlGaAs、AlAs、AlInGaAs、InP、InGaAsP。
参看图4A到4C，这些图式说明了根据本发明的垂直腔面发射激光器的制造方法。首先，参看图4A，提供有衬底21。衬底21具有一第一表面211和一第二表面212。接着，在衬底21的第一表面211上依次形成第一反射器22、活性层23、第二反射器24和接触层25。以上各层是用MOCVD(有机金属化学气相沉积)方法形成的。第一限制层241形成在第二反射器24内。第一限制层241是用氢离子注入法或高温湿式氧化法形成的。因此，第一限制层241可为一离子注入层或氧化层。
参看图4B，以一种使用干燥空气的蚀刻法来在第二反射器24上形成开槽242。一用来发光的中心区域243的直径范围在1μm到5μm之间。开槽242的深度范围在0.1μm到3μm之间。
参看图4C，将氧离子注入第二反射器24内并进行加热，以使得氧离子与第二反射器24内的Al成分反应以形成氧化层，借此来形成第二限制层244。将氧离子穿过开槽242而注入第二反射器24内，以便降低第二反射器24的深度，并降低注入能量。第二限制层244可用作一光学和电子限制层。
再次参看图2，用剥离(lift-off)技术在接触层25上形成第一电极层26，涂覆上厚度分别为10nm、100nm和100nm的Cr、AuZn和Au。接着，打磨衬底21的第二表面212。在衬底21的第二表面212上形成第二电极层27。第二电极层27是一n型金属AuGeNi和Au，厚度分别为100nm和300nm。最后，以380℃高温来对垂直腔面发射激光器20进行30秒钟的退火处理，以便降低所述金属与所述半导体之间的接触电阻。
根据本发明，由于第二限制层244以下列方式形成：将氧离子注入第二反射器中并进行加热，以使得氧离子与第二反射器24中的Al成分反应，借此形成氧化层，第二限制层244可用作光学和电子限制层。因而，可精确并且容易地实现第二限制层244的宽度和深度。此外，可精确地控制第二孔径247的大小，以便控制穿过第二孔径247的电流。
虽然已说明并描述了本发明的实施例，但所属领域的技术人员可进行各种修改和改进。因此，对本发明的所述实施例的描述是说明性而非限制性的。我们希望，本发明可不局限于所说明的特定形式，并且所有保留本发明的精神和范畴的修改都在附加权利要求书所界定的范围内。
Claims (11)
1. 一种垂直腔面发射激光器，其包括：
一衬底，其具有一第一表面和一第二表面；
一第一反射器，其形成在所述衬底的所述第一表面上；
一活性层，其形成在所述第一反射器上；
一第二反射器，其形成在所述活性层上，所述第二反射器具有一第一限制层和一第二限制层，所述第一限制层具有一第一孔径，所述第二限制层具有一第二孔径，所述第二孔径小于所述第一孔径；
一第一电极层，其形成在所述第二反射器上；和
一第二电极层，其形成在所述衬底的所述第二表面上；
其中所述第二反射器进一步包括一对应于所述第二限制层的形状的开槽。
2. 如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述开槽形成为一圆形。
3. 如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第一限制层是一离子注入层。
4. 如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第一限制层是氧化层。
5. 如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述第二限制层是氧化层。
6. 如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其进一步包括一安置在所述第二反射器与所述第一电极层之间的接触层。
7. 一种用来制造一垂直腔面发射激光器的方法，其包括以下步骤：
(a)提供一衬底，所述衬底具有一第一表面和一第二表面；
(b)在所述衬底的所述第一表面上形成一第一反射器；
(c)在所述第一反射器上形成一活性层；
(d)在所述活性层上形成一第二反射器；
(e)在所述第二反射器中形成一第一限制层，所述第一限制层具有一第一孔径；
(f)在所述第二反射器中形成一第二限制层，所述第二限制层具有一第二孔径，所述第二孔径小于所述第一孔径；
(g)在所述第二反射器上形成一第一电极层；和
(h)在所述衬底的所述第二表面上形成一第二电极层；
其中，在所述步骤(e)之后，用一蚀刻法在所述第二反射器上形成一开槽。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述步骤(f)包括以下步骤：
(f1)将氧离子注入所述第二反射器中；
(f2)进行加热，以使得所述氧离子与所述第二反射器中的A1成分反应而形成氧化层。
9. 如权利要求7所述的方法，其中，在所述步骤(e)中，所述第一限制层是通过一氢离子注入法来形成的。
10. 如权利要求7所述的方法，其中，在所述步骤(e)中，所述第一限制层是用一高温湿式氧化法形成的。
11. 如权利要求7所述的方法，其进一步包括：在所述步骤(d)之后，在所述第二反射器上形成一接触层。
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| multi-oxide layer vertical-cavity surface-emitting lasers withimproved modulation bandwidth. M.Azuchi,N.Jikutani,M.Arai,..ect.Lasers and electro-optics,CLEO/Pacific Rim 2003,The 5th Pacific Rim conference,Vol.1 . 2003 |
| multi-oxide layer vertical-cavity surface-emitting lasers withimproved modulation bandwidth. M.Azuchi,N.Jikutani,M.Arai,..ect.Lasers and electro-optics,CLEO/Pacific Rim 2003,The 5th Pacific Rim conference,Vol.1 . 2003 * |
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