CN100583577C - 氮化物半导体垂直腔面发射激光器 - Google Patents

氮化物半导体垂直腔面发射激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)。该VCSEL包括具有垂直生长部和横向生长部的基区。垂直生长部沿横向位于第一光学反射器附近，横向生长部包括沿垂直方向位于第一光学反射器至少一部分上的氮化物半导体材料。有源区具有沿垂直方向位于基区的横向生长部至少一部分上的至少一个氮化物半导体材料量子阱，并包括第一导电类型的第一掺杂剂。接触区包括沿横向位于有源区附近的氮化物半导体材料和与第一导电类型相反的第二导电类型的第二掺杂剂。第二光学反射器沿垂直方向位于有源区上，并与第一光学反射器一起形成垂直光学腔，该光学腔与有源区至少一个量子阱的至少一部分重叠。本发明还描述了制造VCSEL的方法。

Description

氮化物半导体垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及氮化物半导体垂直腔面发射激光器。
背景技术
VCSEL是由夹在一对高反射性的反射镜堆叠之间的光学有源半导体区形成的激光器件，反射镜堆叠可以由若干层金属材料、介电材料或外延生长半导体材料形成。近来，已经进行各种努力使VCSEL器件的工作波长延伸到200nm至600nm的更短波长范围(即，可见光谱的紫色区到红色区)。许多氮化物半导体材料(例如，诸如GaN、AlGaN和AlInGaN的GaN基材料)具有对应于该波长范围的带隙能。由于这个原因，已经进行很多的努力制造产生这个波长范围内的光的氮化物半导体发光器件。
有关设计高性能氮化物半导体VCSEL的问题之一涉及通常用氮化物半导体材料形成的高阻P型腔内接触。这些接触增加电压降，并且增加在VCSEL内产生的热。另一个问题涉及的是，由于非均匀泵浦效应，能够结合在垂直电流注入型VCSEL设计中的有限数量的量子阱。这种情形限制了能够获得的光增益性能。
发明内容
根据本发明，使用横向电流注入方法以减少对于在氮化物半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)中量子阱的数量和P型接触区的厚度的限制。这允许比可比较的垂直注入型氮化物半导体VCSEL设计具有更低的电压降、更低的发热和更高的光增益性能。
从下面描述中，包括附图和权利要求，本发明的其它特征和优点将变得明显。
附图说明
图1是根据本发明垂直腔面发射激光器(VCSEL)的一个实施例的示意性剖面图；
图2是根据制造图1所示的VCSEL方法的发明实施例的流程图；
图3-图10是在图2所示的制造方法的不同阶段根据图1所示的VCSEL发明的实施例的示意性剖面图；
图11示出流过图1中的VCSEL实施例的电流；
图12是根据本发明的VCSEL实施例的示意性剖面图。
具体实施方式
在下面描述中，类似的标号用来指示类似的元件。而且，附图意在以图示形式示出示例性实施例的主要构造。附图不意在描述实际实施例的每一个构造和所描述元件的相对尺寸，附图不按照比例绘制。
如在此处所使用，术语“氮化物半导体材料”是指含氮的III-IV族半导体材料。示例性氮化物半导体材料包括镓氮化物(GaN)、铟镓氮化物(InGaN)、铟氮化物(InN)、铝镓氮化物(AlGaN)、铝氮化物(AlN)、铝铟镓氮化物(AlInGaN)、镓砷氮化物(GaAsN)、铟镓砷氮化物(InGaAsN)、铝镓砷氮化物(AlGaAsN)、镓磷氮化物(GaPN)、铟镓磷氮化物(InGaPN)和铝镓磷氮化物(AlGaPN)。含氮III-V族半导体材料族的示例性子集由合金组分AlxInyGa1-x-yN限定，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
术语“横向”是指大致垂直于VCSEL发光的方向。术语“垂直”是指大致平行于VCSEL发光的方向。
图1示出根据垂直腔面发射激光器(VCSEL)10的发明一个实施例。该VCSEL包括衬底12、第一光学反射器14、基区16、有源区18、接触区20和第二光学反射器22。VCSEL 10还包括在有源区18上的第一电极24和在接触区20上的第二电极26。第一光学反射器14和第二光学反射器22形成与有源区18至少一部分重叠的垂直光学腔28。在工作中，光29优先在光学腔28内的有源区18部分中产生，并且沿垂直光束轴31通过第二光学反射器22射出。
如在下面详细地说明，VCSEL 10采用横向电流注入方法以减少对氮化物半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)中量子阱数量和P型接触区厚度的限制。这样，根据本发明的VCSEL 10的实施例比可比较的垂直电流注入型氮化物半导体VCSEL设计可以具有更低电压降、更低的生热性和更高的光增益性能。
参照图2-图10，首先参照图2、图3和图4，在根据本发明的一些实施例中，VCSEL 10按照如下制造。
在衬底16上形成第一光学反射器14(方框30；图2)。如在图3和图4中所示，在根据本发明的一些实施例中，通过在衬底12上沉积不同折射率材料的交替层堆叠(图3)，并且对交替层堆叠进行图案化(图4)而形成第一光学反射器14。可以使用各种不同的光刻图案化方法中任何一种方法对交替层堆叠进行图案化。
一般而言，衬底12可以是任何类型的支撑结构，并且可以包括一个或多个层(例如，半导电层或绝缘层)，第一光学反射器14和基区16形成在该层上。在根据本发明的一些实施例中，衬底12是蓝宝石衬底。在根据本发明的其它实施例中，至少衬底12的顶面通常由硅(Si)、砷化镓(GaAs)、硅碳化物(SiC)、镓氮化物(GaN)、铝氮化物(AlN)和磷化铟(InP)中的一种形成。
通常，第一光学反射器14可以是对VCSEL 10工作波长范围(例如，200nm至600nm)内的光呈高反射性的任何类型结构。在根据本发明所示出的实施例中，第一光学反射器14是包括高反射性反射镜堆叠的分布式布拉格反射器，该堆叠可以由若干层金属材料、介电材料或外延生长半导体材料形成。在这些实施例中，第一光学反射器14包括一系列不同折射率材料的交替层，其中每一个交替层的有效光厚度(即，该层厚度乘以该层折射率)是四分之一VCSEL 10工作波长的奇数整数倍。用于形成第一光学反射器14交替层的合适介电材料包括钽氧化物(TaO)、铝氧化物(Al2O3)、铪氧化物(HfO2)、钛氧化物(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、钛氮化物(TiN)和硅氮化物(SiN)。用于形成第一光学反射器14交替层的合适半导材料包括镓氮化物(GaN)、铝氮化物(AlN)和铝镓铟氮化物(AlGaInN)。
在根据本发明的一些实施例中，第一光学反射器14包括电绝缘介电顶层，该顶层有助于将电流流动约束到有源区18。光学反射器14的介电顶层可以对应于交替反射层对中的一些层，或除了交替反射层对，该介电顶层可以对应于结合到光学反射器14的层。在根据本发明的一些实施例中，第一光学反射器14包括便于氮化物半导体材料从基区16横向外延过生长的顶层。在这些实施例中的一些实施例中，第一光学反射器14的顶层由二氧化硅形成。
参照图2和图5，在已经形成第一光学反射器14(方框30；图2)之后，形成基区16(方框36；图2)。基区16包括垂直生长部38和横向生长部40。基区16由氮化物半导体材料形成，该材料首先选择性生长在衬底12的露出表面上，而不生长在第一光学反射器14的顶面上。由于露出的衬底表面和氮化物半导体材料之间不良的晶格匹配，基区16的垂直部38通常含有高密度垂直延伸的缺陷。当垂直部38的厚度开始超过第一光学反射器14的厚度时，基区16的横向部40开始生长。选择横向部40的生长参数以获得相对于垂直生长速率的高横向生长速率。基区16的横向部40从垂直部38的一侧各向异性地生长。结果，基区16的横向部40由高质量的外延氮化物半导体材料形成，基本没有晶格失配应变引起位错。在根据本发明的一些实施例中，基区16的顶面被减薄了规定量。
参照图2、图6、图7和图8，在已经形成基区16(方框36；图2)之后，形成有源区18(方框42；图2)。有源区18包括一个或多个氮化物半导体层，该半导体层包括夹在相应对的阻挡层之间的一个或多个量子阱层或一个或多个量子点层。将有源区的组成层沉积在基区16露出的顶部和侧部区上(图6)。选定有源区18的生长参数以实现相对于垂直生长速率低的横向生长速率。基区16的横向部4的高结晶质量允许上面的有源区18部分以较高的结晶质量生长，而基区16垂直部38的较低结晶质量导致上面的有源区18部分以低的结晶质量(例如，更高密度的位错缺陷)生长。
在有源区层已经沉积在基区16上之后，蚀刻掩膜层50(例如，诸如二氧化硅的介电材料层)形成在有源区18上(图7)，有源区18的未遮罩的侧壁区通过蚀刻而去除(图8)。各种液体或气体蚀刻方法的任何一种方法可以用来蚀刻掉有源区18的侧壁区。
在根据图1所示的本发明实施例中，有源区18包括三组量子阱有源区44、46、48，该量子阱有源区由位于相应对阻挡层之间的相应量子阱层形成。一般而言，每一个量子阱层和阻挡层由相应氮化物半导体材料形成，其中量子阱层的带隙能小于相邻两个阻挡层的带隙能。在根据本发明的一些实施例中，量子阱层由GaN形成，阻挡层由GaN或具有低铟合金含量的InGaN形成。量子阱的位置44、46、48大致与在第一和第二反射器14、22之间形成的光学腔28内的具有VCSEL10工作发光波长的光学驻波中的各电场波峰一致。该构造增加有源区18的光增益性能。
有源区18的一个或多个组元层包括第一导电类型的第一掺杂剂。在根据本发明的一些实施例中，量子阱44、46、48的阻挡层掺杂有N型掺杂剂(例如，硅)。在一些这些实施例中，量子阱44、46、48的量子阱层还掺杂有N型掺杂剂。在根据本发明的一些实施例中，有源区18包括重掺杂(例如，在1×1017cm-3至1×1020cm-3的掺杂范围)有第一掺杂剂，以便于与第一电极24形成欧姆接触。
参照图2和图9，在已经形成有源区18之后(方框42；图2)，形成接触区20(方框52；图2)。接触区20由氮化物半导体材料沿有源区18露出的侧壁和基区16的横向生长部40通过横向外延过生长而形成。选定接触区20的生长参数以获得相对于垂直生长速率高的横向生长速率。接触区20包括与有源区18中第一掺杂剂的导电类型相反的第二导电类型的第二掺杂剂。在根据本发明的一些实施例中，第二掺杂剂是P型掺杂剂(例如，锰或锌)。掺杂浓度相对较高(例如，在1×1017cm-3至1×1020cm-3的掺杂范围)以便于形成与第二电极26的欧姆接触。
由接触区域20和有源区18形成的PN结的横向几何结构允许接触区20制成相对大的厚度，这减少了通过接触区20的电阻。横向结几何结构还允许大量的量子阱结合在有源区18中，而不会导致有关垂直电流注入型VCSEL的非均匀泵浦问题的产生。这样，横向几何结构能够使VCSEL10的光增益性能增加。
参照图2和图10，在已经形成接触区20(方框52；图2)之后，形成第二光学反射器22(方框54；图2)。在根据本发明所示出的实施例中，在形成第二光学反射器22之前，去除(例如，通过选择性蚀刻)蚀刻掩膜层50。第二光学反射器22可以直接形成在接触区20和有源区18的露出表面上或形成在沉积在接触区20和有源区18上的一个或多个中间层上。第二光学反射器22可以与第一光学反射器14相同或类似的方式形成。如以上所说明，第一反射器14和第二光学反射器22构建和布置成形成垂直光学腔28，该光学腔28至少与有源区18的一部分重叠。
参照图2和图11，在根据本发明的一些实施例中，在已经形成第二光学反射器(方框54；图2)之后，分别在有源区18的重掺杂顶层上和重掺杂接触区20上形成第一电极24和第二电极26。第一电极24和第二电极26可以由能够与下面的有源区18和接触区20的材料层形成欧姆接触的任何类型的导电材料形成。在根据本发明的一些实施例中，第一电极24和第二电极26由选自Pd-Ni-Au和Ti-Pt-Au的金属合金金属蒸发和退火而形成。
参照图11，在工作中，将正向电压(VF)施加到第二电极26和第一电极24两端，以从接触区20沿横向将电流注入到有源区18，如由带箭头的电流线56所示出。载流子的约束是由第一光学反射器14和第二光学反射器22的相对高的电阻率导致。这些高电阻率区导致电流优先地沿横向流过接触区20和有源区18。在根据本发明的一些实施例中，高带隙能氮化物半导体材料将有源区18中的量子阱44、46、48分开。高带隙材料导致电流大部分优先流过量子阱层的较低带隙氮化物半导体材料；只有相对少的电流流过较高带隙氮化物半导体材料。VCSEL 10可以附加地包括一个或多个沟道，用来约束电流，并且提供在与图11的绘制平面垂直的横向尺寸上的光学波导。第一反射器14和第二光学反射器22以光学方式将光约束在垂直光学腔28内。附加的光学约束还可以由热透镜化和由注入的载流子分布引起的折射率变化导致。载流子和光学横向约束增加了有源区18中与垂直光学腔28重叠的部分内的载流子和光子的密度，因而增加在有源区18内产生并且从VCSEL 10沿垂直光束轴31发出光29的效率。
如以上详细说明，VCSEL 10采用横向电流注入方法以减少在氮化物半导体垂直腔面发射激光器(VCSEL)中的对量子阱数量和P型接触区厚度的限制。这样，根据本发明的实施例可以比可比较的垂直注入型的氮化物半导体VCSEL设计具有更低的电压降、更低的生热性、和更高的光学增益性能。
其它实施例在权利要求的范围内。
例如，图12示出根据本发明的实施例，其包括与基区16而不是有源区18形成欧姆接触的第一电极60。在这个实施例中，第一电极60通过基区16间接地电连接到有源区18。在根据本发明的一些实施例中，基区16的顶部可以向下蚀刻至基区中重掺杂层(例如，重掺杂n++层)，并且第一电极60可以形成在露出的重掺杂层。在根据本发明的其它实施例中，在图12中示出第一电极60可以延伸到有源区18的侧壁。在一部分这些实施例中，第一电极60可以覆盖有源区18的整个侧壁和顶面的一部分。
根据本发明的其它实施例可以包括衬底12的底面上的第一电极，而不是在图1中示出的有源区顶面上的第一电极。在这些实施例中，第一电极通过衬底12和基区16间接地电连接到有源区18上。

Claims (21)

1.一种垂直腔面发射激光器，包括：
第一光学反射器；
基区，所述基区具有垂直生长部和横向生长部，所述垂直生长部沿横向位于所述第一光学反射器附近，所述横向生长部包括沿垂直方向位于所述第一光学反射器的至少一部分上的氮化物半导体材料；
有源区，所述有源区具有沿垂直方向位于所述基区横向生长部的至少一部分上的至少一个氮化物半导体量子阱，所述有源区包括第一导电类型的第一掺杂剂；
接触区，所述接触区包括沿横向位于所述有源区附近的氮化物半导体材料和第二导电类型的第二掺杂剂，使得在所述垂直腔面发射激光器的工作中，电流沿横向注入所述有源区，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反；
第二光学反射器，沿垂直方向位于所述有源区上，并且与所述第一光学反射器一起形成垂直光学腔，所述光学腔在垂直方向上与所述有源区的至少一个量子阱的至少一部分重叠。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述基区由AlxInyGa1-x-yN形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述基区由GaN形成。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述接触区由AlxInyGa1-x-yN形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
5.根据权利要求4所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述接触区由GaN形成。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述第一掺杂剂是N型掺杂剂，所述第二掺杂剂是P型掺杂剂。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述有源区包括成对的阻挡层之间的量子阱，所述量子阱和阻挡层中的每一个都由选自AlxInyGa1-x-yN的相应氮化物半导体材料形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
8.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述阻挡层由GaN形成，所述量子阱层由InGaN形成。
9.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述阻挡层掺杂有所述第一掺杂剂。
10.根据权利要求9所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述量子阱层掺杂有所述第一掺杂剂。
11.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，进一步包括与所述接触区形成欧姆接触的第一电极。
12.根据权利要求11所述的垂直腔面发射激光器，进一步包括与所述有源区形成欧姆接触的第二电极。
13.根据权利要求11所述的垂直腔面发射激光器，进一步包括通过所述基区电连接到所述有源区的第二电极。
14.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述至少一个量子阱大致与所述垂直光腔中具有规定光学波长的光学驻波的波峰一致。
15.一种垂直腔面发射激光器，包括：
第一分布式布拉格反射器；
GaN基区，所述基区具有沿横向位于所述第一光学反射器附近的垂直生长部和沿垂直方向位于所述第一光学反射器的至少一部分上的横向生长部；
有源区，所述有源区沿垂直方向位于所述基区的所述横向生长部的至少一部分上，并且包括N型掺杂剂，其中，所述有源区包括成对的阻挡层之间的量子阱层，所述量子阱和阻挡层中的每一个都由选自AlxInyGa1-x-yN的相应氮化物半导体材料形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1；
GaN接触区，所述接触区沿横向位于所述有源区附近，使得在所述垂直腔面发射激光器的工作中，电流沿横向注入所述有源区，并且包括P型掺杂剂；
第二分布式布拉格反射器，沿垂直方向位于所述有源区上，并且与所述第一光学反射器一起形成垂直光学腔，所述光学腔与所述有源区至少一个量子阱的至少一部分重叠。
16.一种制造垂直腔面发射激光器的方法，包括：
形成第一光学反射器；
形成基区，所述基区具有垂直生长部和横向生长部，所述垂直生长部沿横向位于所述第一光学反射器附近，所述横向生长部包括沿垂直方向位于所述第一光学反射器至少一部分上的氮化物半导体材料；
形成有源区，所述有源区具有沿垂直方向位于所述基区的横向生长部的至少一部分上的至少一个氮化物半导体量子阱，所述有源区包括第一导电类型的第一掺杂剂；
形成接触区，所述接触区包括沿横向位于所述有源区附近的氮化物半导体材料和第二导电类型的第二掺杂剂，使得在所述垂直腔面发射激光器的工作中，电流沿横向注入所述有源区，所述第二导电类型与所述第一导电类型相反；
在所述有源区上方形成第二光学反射器，其中，所述第一反射器和第二光学反射器形成垂直光学腔，所述垂直光学腔在垂直方向上与所述有源区的至少一个量子阱的至少一部分重叠。
17.根据权利要求16的方法，其中，所述基区由AlxInyGa1-x-yN形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述接触区由AlxInyGa1-x-yN形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一掺杂剂是N型掺杂剂，所述第二掺杂剂是P型掺杂剂。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，所述有源区包括成对的阻挡层之间的量子阱，所述量子阱和阻挡层中的每一个都由选自AlxInyGa1-x-yN的相应氮化物半导体材料形成，其中，0≤x，y≤1且0≤x+y≤1。
21.根据权利要求16所述的方法，其中，所述形成所述接触区的步骤包括从所述有源区沿横向生长外延氮化物半导体材料。
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