CN101053129A - 制造一种InP基垂直腔面发射激光器的方法及由此方法制造的装置 - Google Patents

Abstract

组装具有高反射率DBR(3)、用于发射中心波长在大约1.30微米附近的光的磷化铟基VCSEL(1)的方法。所述方法包括选择工作波长，决定对应于所述波长的光子能，选择最高工作温度，并且组装由外延生长在基材上以获得等于或大于光子能总数与最高工作温度加110再除以1.96的和的能带隙的材料所形成的DBR(3)的至少一半的高指数层(3a)。使用具有这样的能带隙的高指数层(3a)在DBR(3)内交叠层的折射指数间创造了足够大的差异，同时至少在最高达所需的工作温度下保持低的光吸收以维持反射率，并避免用到需要结合或变形生长在基材(2)上的DBR(3)。

Description

制造一种InP基垂直腔面发射激光器的方法及由此方法制造的装置

发明背景

发明领域

本发明一般涉及面发射激光器，尤其涉及一种带有高反射率分布布拉格反射器的长波长磷化铟(InP)基垂直腔面发射激光器(Vertical cavity surfaceemitting laser)。

相关背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是为本领域技术人员所熟知的现有技术。总的来说，垂直腔面发射激光器是一种半导体装置，它包含一底层衬底、一分布布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)、一发生激光的活性层(或数层)、及一可以是另一个分布布拉格反射器或者其它类型的反射镜的上层反射器所组成。所述装置还包括上层和下层电极层。所述上层或下层电极层中心开口，当在所述上层和下层电极层之间施加电压时，所述开口能够使活性层产生的激光离开所述装置。

垂直腔面发射激光器所拥有的许多特性使其很适合被应用到低成本光通讯网络。由垂直腔面发射激光器结构所发射的对称、圆形光束能够轻易与光纤耦合。垂直腔面发射激光器的小尺寸使其可以在单片半导体晶片上沿二维坐标系密集地排列。最后，与其它激光器不同，如边缘发射激光器，垂直腔面发射激光器无需通过机械或化学方法来制造单独反射面，因为所述共振反射面已经以分布布拉格反射器的形式与所述激光器整合在了一起，有利地减少了制造成本。

虽然用于光学网络的垂直腔面发射激光器可以由很多不同的半导体材料制得，但优选磷化铟，这是因为此类垂直腔面发射激光器所产生的激光波长范围(1.1-2.0微米之间)涵盖了目前在类似网络中通过光纤传输效果最好的两类相对长波长的激光，也就是，大约1.31微米和1.55微米。

过去，要制造能够有效产生中心波长在大约1.3微米的激光射线的InP基垂直腔面发射激光器是非常困难的。这个难题是由于位于垂直空腔面发射激光器内的分布布拉格发射器不能提供产生有效激光发射所需要的高度反射率(需要99.9％)而造成的。为了理解问题的本质，有必要讨论一下分布布拉格反射器的结构和功能。

垂直腔面发射激光器内的分布布拉格反射器由以不同折射指数的半导体材料制成的交替层所形成，每一层交替层为1/4波长厚。在垂直腔面发射激光器的活性区域内，低指数层和高指数层的折射指数间的差异要达到一定量才能让分布布拉格反射器拥有足够反射率以维持有效激光发生所必需的光学共振。对InP基垂直腔面发射激光器而言，优选由InP来形成具有低折射指数的层，而由具有可以在InP层上进行外延生长的相容性晶格结构的半导体材料来形成具有高折射指数的层。在分布布拉格反射器中使用这类材料使垂直腔面发射激光器得以外延生长，例如通过分子束外延生长(Molecular Beam Epitaxy)，或者金属有机化合物化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition)。可被用作高指数层的这类材料的例子包括由镓(Ga)，砷(As)，铝(Al)，锑(Sb)，铟(In)和磷(P)形成的合金，例如AlGaInAs，GaInAsP，和AlGaAsSb。其它用于分布布拉格反射器的能够在InP衬底上进行外延生长以形成交替高低指数层的半导体材料的组合包括AlGaInAs/Al InAs；GaInAsP/AlInAs和AlGaAsSb/AlGaAsSb。本申请中，短语“InP-基垂直腔面发射激光器”涵盖了所有的在InP衬底上生长并且包含有一个以上述任何一种交替层或其它能够在InP衬底上外延生长的层所形成的分布布拉格反射器的垂直腔面发射激光器。

可惜，当使用所述合金时，难以获得高低指数层间的足够大差异的折射指数。因为没有办法再降低形成低指数层(如InP或AlInAs)的材料的指数，唯一的实现更大差异的办法只有通过调整形成高指数合金的元素的摩尔分数来使得高指数材料的指数变得更高。这样做有减小高指数材料能带隙的效果，使它开始接近垂直腔面发射激光器的激光波长的光子能。然而，申请人观察到当高指数材料的能带隙减小到太接近激光波长的光子能量时，随之产生的反射性能实际上却变得更糟，这是由于激光射线被高指数材料吸收所造成的。申请人进一步观察到假使要通过减少高指数材料折射指数的增长来尝试避免激光射线的吸收问题，得到的垂直腔面发射激光器在温度变化范围广时表现不好。申请人相信所述表现变差是由于高温时随着温度的升高光吸收谱以比激光波长快得多的速度移动到更长的波长处所导致的分布布拉格反射器的反射性能退化所造成的。另一方面，如果高指数材料的指数没有高于某一水平，得到的分布布拉格反射器的反射率会低的让人无法接受。因此，高指数材料的折射指数可能只能在窄范围内进行选择以在广泛的周围温度范围内获得高性能的垂直腔面发射激光器。因为这种为了高性能的窄范围会随着垂直腔面发射激光器的中等波长和装置的温度进行变化，至今还没有方法能够简单、重复地制造高效率的InP基垂直腔面发射激光器。

由于很难在InP类材料中获得最合适的折射指数的差异量，现有技术使用了不同的半导体材料来制造分布布拉格反射器，例如GaAs/Al(Ga)As交替层。在InP上生长(Al)GaAs厚层导致高密度的缺陷和形态上的不完美，这是由于(Al)GaAs的晶格常数与InP的晶格常数存在巨大差异而造成的。为了避免这类缺陷蔓延到整个结构，GaAs基分布布拉格反射器被机械转移到InP基的活性区域上。然而不幸的是，这种晶片-连接技术是困难的，需要在GaAs基分布布拉格反射器和垂直腔面发射激光器晶片或掩膜之间进行精确的机械定位。并且，无气泡的大面积均一连接是困难的。得到的垂直腔面发射激光器的可靠性很容易被不完美的连接过程所破坏。类似的可靠性问题与这类GaAs基分布布拉格反射器在InP衬底上的变形生长有关。

很清楚，有必要提供一种带有在广泛激光波长范围内，特别在大约1.3微米附近都有高反射性能的分布布拉格反射器的InP基垂直腔面发射激光器的制造方法。理想情况下，这种方法要能够避免用到单个晶片连接步骤，或者变形类(metamorphic)生长。

发明总结

本发明公开了一种制造InP基垂直腔面发射激光器的方法，该方法克服了上述的现有技术中的问题。本发明的方法，首先选择将要由垂直腔面发射激光器产生的激光的特定波长，该波长等于光子能量E_lasing(通常表示成meV)。接着，选择最高工作温度(maximum operating temperature)T_max，用摄氏度表示，对应于分布布拉格反射器维持高反射性能所需要的最高温度。最后，组装(fabricate)垂直腔面发射激光器的分布布拉格反射器的至少一半高指数层以获得能带隙G(meV)，所述能带隙G(meV)等于或高于：

$E_{\mathrm{la}\sin g}\left(\mathrm{meV}\right)+\frac{T_{\max }+110}{1.96}$

拥有所述能带隙的高指数层在分布布拉格反射器的交替高低指数层的折射指数间创造了足够大的差异，同时至少在最高达所需的工作温度下保持低的光学吸收以维持高反射率。

至少大部分靠近激光器活性层的高指数层需要有等于或大于G的能带隙。本发明的优选方法中，T_max选定在约50℃和125℃之间。所选定的工作波长(operating wavelength)在1.1和2.0微米之间，更优选是在大约1.25和1.36微米之间。

组装步骤包括调整分布布拉格反射器的高指数层的组成来达到所述的能带隙。在本发明的优选方法中，高指数层由Ga和As与至少两种选自Al、In、P和Sb的元素的合金形成，并且通过改变组成合金的元素的摩尔分数来调整能带隙。

如果高指数层是Al_xGa_yIn_(1-x-y)As，它们的能带隙能够通过改变其中的Al和Ga的摩尔分数来进行调整，稍微改变In的摩尔分数来保持所述层的晶格常数与InP衬底的晶格常数相等，这对于诸如分布布拉格反射器的厚重结构的完美或接近完美的生长是重要的。当高折射指数层是Ga_xIn_(1-x)As_yP_(1-y)，或者Al_xGa_(1-x)As_ySb_(1-y)所有四种元素的摩尔分数都要改变来调整能带隙从而保持所述层的晶格常数等于InP衬底的晶格常数。在优选的方法中，分布布拉格反射器的高和低指数层通过在InP衬底的顶部上进行外延生长来制备。

本发明还涉及一种长波长，InP基衬底垂直腔面发射激光器，发射的激光的波长在大约1.1和1.5微米之间，该垂直腔面发射激光器包含一InP衬底，一生长在衬底上的分布布拉格反射器并且包含高和低指数层，和一沉积在分布布拉格反射器上的活性激光区，其中至少一半的高折射指数层的能带隙G等于或大于由本发明方法中的公式所限定的数值。

附图说明

图1是按照本发明组装的垂直腔面发射激光器的横截面示意图；

图2是图示说明InP基垂直腔面发射激光器内分布布拉格反射器的高指数层的折射指数的增加与由高指数层产生的激光吸收之间的关系；

图3和图4显示，作为比较，中心波长在1.33微米，组装有与本发明不一致(不满足等式T_max＝85℃)能带隙的高折射指数层的分布布拉格反射器在20℃，85℃和100℃时的反射光谱(reflectivity spectrum)；

图5显示，中心波长在1.33微米，且按照本发明组装(满足等式T_max＝85℃)的分布布拉格反射器在20℃，85℃和100℃时的反射光谱；

图6示出了在温度范围20℃和66℃之间，具有未按照本发明进行装配的分布布拉格反射器的垂直腔面发射激光器的功率输出对电流输入图；

图7示出了在温度范围20℃和125℃之间，具有按照本发明进行装配的分布布拉格反射器的垂直腔面发射激光器的功率输出对电流输入图。

优选实施方式的详细描述

图1为可应用本发明的多种InP基垂直腔面发射激光器中的一种的构造示意图。在这个例子中，垂直腔面发射激光器1自下而上包括，在其上外延生长有分布布拉格反射器3的InP衬底2。本实施例中，分布布拉格反射器3包括分别由AlGaInAs和InP所形成的交替高指数层和低指数层3a，3b，每一层都为1/4波长厚。分布布拉格反射器3可能有，例如，超过四十对的所述交替高和低指数层。沉积在分布布拉格反射器3上的活性层4，可由与形成高指数层的材料的各元素相比较具有不同摩尔分数的AlGaInAs所形成。接下来，在活性层4上沉积另一InP层5。在InP层5上沉积接触层(contact layer)6。该接触层可以由，例如，GaInAs所形成。电极层7和8，分别由抗腐蚀合金NiGeAu和TiPtAu所形成，如图所示沉积到垂直腔面发射激光器的顶层和底层。最后，在电极层8上沉积上层分布布拉格反射器9。上层分布布拉格反射器9可以由Si/Al₂O₃或者任何能够简单沉积到金属层上的其它高反射率材料所形成。实际操作时，在上层和下层电极层7，8之间施加电压。电压导致电子流向活性层4的空洞中，激发激光。然后最初产生的激光在下层和上层分布布拉格反射器3，9之间反射，形成光学共振从而引发完整的激光发生。得到的激光通过顶部电极层8的开口10而发射出去。

现在参见图2，本发明部分来源于申请人观察到的现象，随着所述层的折射指数的增加，大量激光会被垂直腔面发射激光器内的分布布拉格反射器的高折射指数层所吸收。尤其，如果分布布拉格反射器的高折射指数层的折射指数增加导致高折射指数层的能带隙开始接近垂直腔面发射激光器的激光波长的光子能量时，如图中A部分所示，高折射指数层的激光吸收也开始激增。如图中A部分所示，吸收量非常大以至于得到的分布布拉格反射器的反射率实际上随着高折射指数的增加而减小。相反，当高折射指数层的能带隙控制在如图中B部分所示的范围内，分布布拉格反射器的反射率可以到达一个让人接受的高水平，这是因为激光吸收量的增加实际上小于分布布拉格反射率的增加。然而，如果周围环境的温度升高，高折射指数层的激光吸收会在分布布拉格反射器的反射率能够让步的范围内增加。申请人认为这种退化发生在吸收曲线往图中的长波长那边偏移的情况下，这是因为能带隙会随着温度发生收缩，而温度的变化反过来导致图中B部分与低反射率的A部分类似。图中D部分显示当高折射指数层的折射指数太低的情况下，导致分布布拉格反射器的反射率太低而无法产生足够高的反射去满足InP基垂直腔面发射激光器。只剩下图中相对而言的一小部分C，高指数层的折射指数充分升高以产生所希望的、高反射率的分布布拉格反射器，但又不至于太高以至于引起所述层更高的吸收来抵消高反射率的优势。在本申请所保护的发明之前，没有人知道如何让半导体制造商迅速且方便地制造带有外延生长的且InP兼容的分布布拉格反射器的InP基垂直腔面发射激光器，所述分布布拉格反射器还要有以引起激光发生所需的，特别是在1.3微米的范围内的高度反射率。

按照本发明的方法，至少一半的垂直腔面发射激光器的分布布拉格反射器内的高指数层3a组装有等于或大于下列公式所确定的数值的能带隙G(表达成MeV)

$E_{\mathrm{la}\sin g}\left(\mathrm{meV}\right)+\frac{T_{\max }+110}{1.96}$

由上公式可知，指数层的能带隙必须高于T_max设定在85℃时由至少99.5meV所产生的激光波长的对应的能量。

在图3中，分布布拉格反射器的高指数层的能带隙为0.992eV，非常接近0.932eV(这是1.33微米的激光波长对应的能量)。两者之间的间隔仅为60meV(在B部分内接近A部分，如图2所示)。在20℃时，分布布拉格反射器的反射率在大约1.29-1.36微米光谱范围内高的可以让人接受。然而，当温度在85℃时，反射率的峰值与20℃时的值相比跌落了0.4％。最后，100℃，反射率的峰值与20℃时的值相比跌落了0.6％

在图4中，分布布拉格反射器的高折射指数层的能带隙上升到0.016eV(G-E_lasing＝84MeV)。而且，在20℃时，在整个激光光谱范围内的折射指数表现还是高的可以让人接受的。然而，在85℃，光谱的反射率的峰值与20℃时的值相比降低了0.2％。最后，100℃时，反射率与20℃时的值相比降低了0.3％。尽管该分布布拉格反射器的表现情况比图3中的要好一些，但它仍然位于图2的B部分。

图5为带有能带隙等于1.033eV(G-E_lasing＝100meV)的高指数材料的分布布拉格反射器的反射光谱，因为能带隙满足T_max＝85℃时的等式而对应于图2中的C部分。如图5所示，事实证明在20℃和85℃之间的广泛温度范围内几乎都没有反射率表现的降低。然而，100℃的光谱与20℃时的值相比显示降低了0.1％。

在如图1所示的本发明垂直腔面发射激光器1的例子中，低指数层3b由InP所形成，而高指数层3a由AlGaInAs所形成，尽管高指数层也可由镓(Ga)，砷(As)，铝(Al)，锑(Sb)，铟(In)和磷(P)的合金，例如AlGaInAs，GaInAsP，或AlGaAsSb所形成。其它能够在分布布拉格反射器的InP衬底2上进行外延生长以形成交替高低指数层3a，3b的半导体材料的组合包括AlGaInAs/AlInAs，GaInAsP/AlInAs和AlGaAsSb/AlGaAsSb。交替高低指数层3a，3b的外延沉积可以通过，例如，分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)或者金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)来实现。本发明中，术语“InP基垂直腔面发射激光器”包括所有在InP衬底上生长且具有由可在InP衬底上外延生长的任何其它层所形成的分布布拉格反射器的垂直腔面发射激光器。

改变高指数层3a的能带隙通过调整各种组成高指数合金的元素的摩尔分数来实现。在Al_xGa_yIn_(1-x-y)As的情况下，能带隙能够通过改变Al和Ga的摩尔分数来进行调整，对In的摩尔分数进行少许调整以保持所述层的晶格常数与InP衬底的晶格常数一致，这对于完美或接近完美地生长像分布布拉格反射器这样的厚结构是重要的。举例如下，图3，4，和5所示的高指数层的Al，Ga和In的摩尔分数分别为0.156，0.315，0.529；0.172，0.299，0.529和0.183，0.288，0.529。当高指数层是Ga_xIn_(1-x)As_yP_(1-y)时，Ga和In的摩尔分数，还有As和P的摩尔分数，需要进行改变从而能调整能带隙同时保持那些层的晶格常数等于InP衬底的晶格常数。在优选的方法中，分布布拉格反射器的高和低指数层通过在InP衬底的顶部上进行外延生长而得到。

在优选的实施方式中，分布布拉格反射器的每一层高折射指数层3都带有与所述公式相一致的能带隙。然而，当最接近垂直腔面发射激光器的活性层4的所述分布布拉格反射器的高指数层3a拥有所述能带隙时，我们也能得到类似的好结果。

图6和7比较了在1.33微米(光子能＝0.932eV)处发射且具有未按照本发明进行装配和按照本发明进行装配的分布布拉格反射器的垂直腔面发射激光器的功率性能。如图6所示，垂直腔面发射激光器分布布拉格反射器的高折射指数层的能带隙被调整为1.008eV，大致位于图2所示的B部分，它的反射性能与图4所示非常接近。图6的曲线揭示了温度变化在20℃和66℃之间对应于电流输入的功率输出。图7揭示了对于其中分布布拉格反射器的高指数层能带隙为1.033eV(满足所述等式)的垂直腔面发射激光器，在20℃和125℃之间时对应于电流输入的功率输出，每一条线代表一个不同的温度。对这两幅图进行比较可以看出，带有以本发明方法构造的分布布拉格反射器的垂直腔面发射激光器能够有效发生激光直到125℃。这样，本发明提供了一种能够在广泛温度范围内有效产生功率的InP基垂直腔面发射激光器。

本发明已经通过一种优选实施方式进行了描述，本发明由此可以应用于任何垂直腔面发射激光器构造。各种其它的增加和修改对本领域技术人员而言是显而易见的。所有这些增加，修改和变化都包含在仅通过所附的权利要求书及其等效物进行限制的本专利的范围内。

Claims (10)

1、一种具有由高和低指数层形成的高反射率的分布布拉格反射器的InP基垂直腔面发射激光器的制造方法，所述方法包括如下步骤：

选择一种工作波长；

决定对应于所选定的工作波长的光子能E_lasing；

选择最高工作温度T_max，组装至少一半的所述高指数层从而获得等于或高于下列公式所确定的数值的能带隙G(表达为meV)：

$E_{\mathrm{la}\sin g}\left(\mathrm{meV}\right)+\frac{T_{\max }+110}{1.96}$

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少大部分接近激光器活性区域的高指数层的能带隙等于或大于G。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组装步骤包括调整形成所述高指数层的元素的比率从而获得所述能带隙。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高指数层由Ga、As以及至少两种选自Al，In，P和Sb的元素的合金形成。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低指数层包括至少两种选自In，P，Al，As，Ga和Sb的元素。

6、一种发射光波长在约1.1和1.5微米之间的长波长、InP基垂直腔面发射激光器，所述激光器包括：

InP衬底；

由所述衬底支持并包含高和低指数层的分布布拉格反射器，和

沉积在所述分布布拉格反射器上的活性的发射激光的部分；

其中至少一半的所述高指数层的能带隙G(meV)等于或大于：

$E_{\mathrm{la}\sin g}\left(\mathrm{meV}\right)+\frac{T_{\max }+110}{1.96}$

其中T_max等于用摄氏度表示激光器的最高工作温度，E_lasing是在1.1和1.5微米之间的所选定的波长的光子能。

7、如权利要求6所述的InP基垂直腔面发射激光器，其特征在于，基本所有的所述高指数层都具有所述能带隙G。

8、如权利要求6所述的InP基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述高指数层由Ga、As以及至少两种选自Al，In，P和Sb的元素的合金形成。

9、如权利要求6所述的InP基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述低指数层包括至少两种选自In，P，Al，Ga，As和Sb的元素。

10、权利要求6所述的InP基垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述分布布拉格反射器外延生长在所述衬底上。

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