CN101136538B - Vcsel、其制造方法、模块、光发送装置、光空间传输装置、光发送系统以及光空间传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了VCSEL、其制造方法、模块、光发送装置、光空间传输装置、光发送系统以及光空间传输系统。该VCSEL包括：基板；第一导电类型的第一半导体多层；有源层；第二导电类型的第二半导体多层；接触层；这些层中的每一层都堆叠在基板上。第二半导体多层与有源层和第一半导体多层一起构成了谐振器。接触层上形成有金属层。该金属层包括开口部分，该开口部分限定了发射激光的区域。当激光的振荡波长为λ时，接触层和与接触层接触的第二半导体多层的顶层的光学厚度T小于λ/4。

Description

VCSEL、其制造方法、模块、光发送装置、光空间传输装置、光发送系统以及光空间传输系统
技术领域
本发明涉及可用作光学数据处理或高速光通信的光源的垂直腔表面发射激光二极管(以下称为VCSEL)及其制造方法，更具体地说，涉及一种抑制高阶横模激射的技术。
背景技术
在诸如光通信或光存储的技术领域中，VCSEL越来越受到关注。VCSEL具有边缘发射半导体激光器所不具备的出色特性。例如，VCSEL以低阈值电流和低能耗为特征。使用VCSEL，圆型光点能够被轻易获得。另外，当VCSEL在晶片上时能够进行评估，从而能够将光源排列成二维阵列。由于具有这些特性，所以可以预料到对于VCSEL尤其作为通信领域中的光源的需求会不断增加。
当VCSEL与光纤耦合时，激光令人满意地为单横模或基横模。这是由于单横模在与光纤等耦合时，与多模相比具有较小的辐射角和较高的效率。因此，建议抑制从VCSEL发射的激光的高阶横模。
例如，如图18所示，JP2001-284722A公开了一种VCSEL，该VCSEL包括反射率调节层12，该反射率调节层12位于上反射镜10的顶层中。反射率调节层12具有厚度满足布拉格反射条件(厚度为λ/4)的第一镜面区域12a，以及厚度满足反布拉格反射条件(厚度为λ/2)的第二镜面区域12b。因而，第一镜面区域12a的反射率比第二镜面区域12b的反射率要高。第一镜面区域12a形成在上电极14的开口部分14a的光轴的中心部分，而远离光轴的外围部分中的第二镜面区域12b抑制了高阶横模激射，因而获得了单横模激射。
在JP2002-208755A中公开的可选氧化型VCSEL中，根据谐振器的与形成有开口部分的上电极相对应的区域(其形成了发射区)中的反射率，来确定开口部分的开口直径以及电流限制部分(current confiningportion)的直径，使得高阶横模激光在谐振器中的光损耗与基横模激光在谐振器中的光损耗之间的差变得很大。换句话说，对于上电极的开口部分的尺寸有一最优值，该最优值使得开口部分有效地运作从而获得基横模激射，该最优值根据电流限制部分的开口直径而不同。例如，对于开口直径在3.0到5.0μm范围内的电流限制部分，希望开口部分的开口直径的值比电流限制部分的开口直径大0到1μm。该公开指出，电流限制部分的开口直径越大，电极开口的直径与电流限制部分的开口直径的差就越小。
在JP2004-241422A中公开的具有柱结构(post structure)的VCSEL中，上电极被形成为平面形状，该平面形状与出现在上镜面的上表面上的横模发射图案的暗部分的形状相匹配。由于是如此形成的，所以上电极甚至能够形成在激光发射窗口的中心部分附近，从而防止上电极切断发射光。这使得注入到有源层中的电流密度均匀，并抑制了电流密度分布的变化。此外，可以获得特定横模下的稳定激射。因此，可以使所述柱与电流注入区的直径变大以扩大发射区，从而获得稳定横模下的高激光输出。
上文描述的现有技术的VCSEL的结构对于抑制高阶横模有一定效果，但是，在宽温度范围内，它们并不总能充分地抑制高阶横模。当VCSEL在低温下工作时，存在激射开始于高阶横模的问题。激射提高了低阶横模的激射阈值，因此低阶横模激射倾向于更少的发生。另一方面，当VCSEL在高温下工作时，光输出与室温情况相比显著降低。这种问题在任何现有技术中都没有认知也没有解决。
此外，现有技术中建议的对高阶横模的抑制需要蚀刻工艺，该蚀刻工艺可能造成反射率调节层的厚度变化或产生台阶(step)，因此，难以通过蚀刻工艺来形成具有高度重现性的精确厚度。
根据其他现有技术，它们通过上电极的形状来抑制高阶横模。因此，应该将上电极的形状处理成与发射图案的暗部分的形状相匹配，因而工艺非常复杂。此外，该形状对应于特定横模，因此，难以充分对高阶横模进行抑制。
本发明的一个目的是解决上述现有技术的问题，并提供一种能够在宽温度范围内抑制高阶横模的VCSEL。本发明的另一目的是提供一种不需加入复杂工艺就可以制造出能够抑制高阶横模的VCSEL的方法。
发明内容
在根据本发明一方面的VCSEL中，半导体层的最终层(final layer)的厚度在其中心部分和其外围区域相同；但是，最终层的厚度被制作成与其他半导体镜面层的厚度不同。此外，通过使用金属电极，获得了远离光轴的外围部分中的高阶横模与靠近光轴的低阶横模之间的反射率差，因此，可以获得高输出，同时抑制了高阶横模。
本发明的一方面提供了一种VCSEL，该VCSEL包括：基板；第一导电类型的第一半导体多层；有源层；第二导电类型的第二半导体多层；接触层，这些层中的每一层都堆叠在所述基板上，并且所述接触层上形成有金属层。所述第二半导体多层与所述有源层和所述第一半导体多层一起构成了谐振器。所述金属层包括开口部分，该开口部分限定了发射激光的区域。当激光的振荡波长为λ时，所述接触层和与所述接触层接触的所述第二半导体多层的顶层的光学厚度T小于λ/4。
优选的是，在所述VCSEL中，所述第二半导体多层包括多个层，这多个层是多个成对的具有第一折射率的第一半导体层和具有第二折射率的第二半导体层，光学厚度T(作为第二半导体多层的顶层的第一半导体层的厚度与接触层的厚度之和)小于λ/4。更优选的是，包括在第二半导体多层中的多个第一半导体层中的作为顶层的第一半导体层的带隙能与有源层的带隙能之间的差大于等于0.1电子伏(eV)，且小于等于0.3电子伏。
优选的是，所述第一半导体层和第二半导体层由具有不同Al含量的AlGaAs制成，所述接触层由GaAs制成，所述第一半导体层的Al含量比所述第二半导体层的Al含量少。Al含量少的AlGaAs难以氧化，因而易于和所述接触层进行电接触。例如，所述接触层的厚度为20nm。
优选的是，所述光学厚度T在大约0.193λ到大约0.197λ的范围内。另外，所述光学厚度T不在大约0.153λ到大约0.157λ的范围内。如果厚度在这个范围内，则反射率变得太小，以致于无法获得良好的低阶横模激射。所述金属层可以由金或钛和金的堆叠层制成。当然，也可以使用其他金属。所述金属层可以是用于注入电流的电极。
所述VCSEL还包括位于所述接触层和所述基板之间的电流限制层。优选的是，所述电流限制层可以布置成临近所述有源层，且可以形成在第一半导体层或第二半导体层内。所述电流限制层可以是单层或多层。优选的是，所述电流限制层是形成在多个第二半导体层的最底层处的AlAs层，该AlAs层包括选择性氧化高电阻区域(selective oxidized highresistance region)和被所述高电阻区域包围的导电区域。所述金属层的开口部分比所述导电区域的直径小大约0到3μm，更优选地小1到2μm。
优选的是，通过对堆叠在所述基板上的半导体层进行蚀刻而在所述基板上形成有柱，所述电流限制层的氧化区域从所述柱的侧面被氧化。举例来说，所述柱像圆柱体或矩形。所述氧化区域被形成为反映所述柱的特性，如果所述柱像圆柱体，则所述导电区域的平面形状为圆形。所述导电区域的尺寸是这个圆的直径。如果所述柱为矩形，则所述导电区域的尺寸是对角线的长度。
本发明的一方面提供了一种制造VCSEL的方法，该方法包括：在基板上形成至少第一导电类型的第一半导体多层；在所述第一半导体多层上形成有源区域；在所述有源区域上形成第二导电类型的第二半导体多层，使得所述第二半导体多层的顶层的厚度比所述第二半导体多层的其他层的厚度要薄；在所述第二半导体多层上形成接触层，使得作为所述顶层和所述接触层的厚度之和的光学厚度T小于λ/4；以及在所述接触层上形成金属层，所述金属层包括限定了发射激光的区域的开口部分。
优选的是，所述方法包括：在所述基板和所述接触层之间形成电流限制层；通过对所述基板上的所述半导体层进行蚀刻在所述基板上形成柱；以及从所述柱的侧面对所述电流限制层的外围进行氧化，所述金属层的所述开口部分比被所述电流限制层的氧化区域包围的所述导电区域的直径小大约0到3μm，更优选地小1到2μm。
根据本发明的一方面，通过使第二半导体多层的顶层以及接触层的光学厚度T小于λ/4，可以使金属层的较低部分的反射率小于现有技术结构的反射率，从而可以抑制远离光轴的外围部分中的高阶横模激射。因此，可以在宽的温度范围内，特别是在低温下，抑制低阶横模的阈值的增大，从而可以获得具有高输出的VCSEL。
附图说明
将基于以下附图来详细描述本发明的示范性实施方式，附图中：
图1是根据本发明示范性实施方式的VCSEL的平面图；
图2是沿图1的线A-A截取的截面图；
图3例示了图2所示的接触层与上DBR的厚度之间的关系的详情；
图4是示出顶层厚度与反射率之间关系的曲线图；
图5例示了示范性实施方式的VCSEL的激射谱和远场图，以及现有技术VCSEL的激射谱和远场图；
图6是示出示范性实施方式的VCSEL和现有技术VCSEL的各个部分的表；
图7示出了当VCSEL以恒定驱动电流工作时，85摄氏度与25摄氏度之间的功率比相对于带隙能差的温度依赖性的曲线图；
图8A到8C是例示了根据本发明第一示范性实施方式的制造VCSEL的步骤的截面图；
图9A到9C是例示了根据本发明第一示范性实施方式的制造VCSEL的步骤的截面图；
图10A和10B是例示了根据本发明第一示范性实施方式的制造VCSEL的步骤的截面图；
图11是一种封装的构成的示意性截面图，该封装中安装有半导体芯片，该半导体芯片中形成有VCSEL；
图12是示出另一种封装的构成的示意性截面图；
图13是示出使用图11中所示封装的构成的示意性截面图；
图14例示了其中在空间传输系统中使用了图12中所示封装的构成；
图15是示出光传输系统的构成的框图；
图16例示了光传输装置的外部构成；
图17例示了视频传输系统，其中使用了图16的光传输装置；而
图18是示出现有技术VCSEL的截面图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的示范性实施方式。
图1是根据本发明示范性实施方式的VCSEL的平面图，图2是沿图1的线A-A截取的截面图。如图2所示，VCSEL 100包括位于n型GaAs基板102背面上的n侧电极150。基板102上堆叠有包括n型GaAs缓冲层104的半导体层、由n型AlGaAs半导体多层制成的下DBR(分布式布拉格反射器)106、有源区域108、由p型AlAs制成的电流限制层110、由p型AlGaAs半导体多层制成的上DBR 112，以及p型GaAs接触层114。
在基板102上，通过蚀刻所述半导体层而形成环形槽116，使得槽116具有从接触层114到下DBR 106的一部分的深度。通过槽116限定了作为激光发射部分的圆柱P。通过槽116的隔离而形成了焊盘形成区域118。在柱P中形成有由下DBR 106和上DBR 112构成的谐振器结构，有源区域108和电流限制层110插入在下DBR 106和上DBR 112之间。电流限制层110包括氧化区域110a(其中暴露在柱P的侧面的AlAs被选择性地氧化)和被该氧化区域包围的导电区域。电流限制层110限制了导电区域中的电流和光。导电区域的形状的平面图是反映了柱P的轮廓的圆形。
在基板的包括槽116的整个表面上形成有夹层绝缘膜120。夹层绝缘膜120覆盖了柱P的表面、柱P的被槽116暴露的侧面、槽116、焊盘形成区域118的被槽116暴露的侧面，以及焊盘形成区域118的表面。在柱P的顶部，在夹层绝缘膜120中形成有环形接触孔，通过该接触孔，p侧圆形上电极130与接触层114电接触。p侧上电极130由金或钛/金制成，在其中的中心部分形成有限定了激光发射部分的圆形开口132。在图2的实施例中，开口132被夹层绝缘膜120封闭，以保护GaAs接触层114不暴露到外部。开口132不必被夹层绝缘膜120封闭，而是可以暴露。
在焊盘形成区域118中，夹层绝缘膜120上形成有圆形电极焊盘134。电极焊盘134通过在槽116中延伸的引出电极配线136而连接到p侧上电极130。
图3是图2的柱P的顶部的放大截面图，例示了上DBR的顶层与接触层之间的关系，以及上DBR的顶层与有源区域之间的关系。上DBR 112是通过交替堆叠高Al含量Al0.9Ga0.1As层112a和低Al含量Al0.12Ga0.88As层112b 30个周期使得每一层的厚度都变为介质中波长的1/4而制成的。
在这个示范性实施方式中，作为上DBR的最终层或顶层的Al0.12Ga0.88As层112c的厚度Tc被形成为比其他Al0.12Ga0.88As层112b的厚度要薄。换句话说，作为最终层的Al0.12Ga0.88As层112c的厚度与GaAs接触层114的厚度之和——光学厚度T(以下称为“顶层厚度T”)比λ/4nr要小。具有较低Al含量的AlGaAs层不易被氧化，从而容易获得电接触，因此所述接触层形成在Al0.12Ga0.88As层112c上。举例来说，所述接触层的厚度Tg可以为20纳米(nm)。Λ表示激光的振荡波长，在本实施例中约为850nm，nr表示介质的折射率。如果顶层112c的折射率为n1，而接触层的折射率为n2，则顶层厚度T可以表示为T＝n1Tc+n2Tg＜λ/4。
插入在上DBR 112的最下层与有源区域108之间，或上DBR 112与有源区域108之间的电流限制层110包括被氧化区域110a包围的导电区域。氧化区域110a被形成为反映柱的轮廓。如果柱p为圆柱体，则导电区域的形状的平面图是圆形。导电区域的直径是该圆形的直径。如果柱的形状为矩形，导电区域为矩形，则导电区域的尺寸是矩形的对角线长度。导电区域的光轴方向的中心近似与上电极130的圆形开口132的中心对准。如果开口132的直径为D1且导电区域的直径为D2，则优选的是D2-D1＝0到3μm，更优选的是1到2μm。
有源区域108由未掺杂的下Al0.6Ga0.4As间隔体层108a、未掺杂的量子阱有源层108b(由三个厚度均为70nm的GaAs量子阱层和四个厚度均为50nm的Al0.3Ga0.7As阻挡层制成)，以及未掺杂的上Al0.6Ga0.4As间隔体层108c形成。在此示范性实施方式的VCSEL中，按照以下方式来选择半导体层的各种含量：使得上DBR的低Al含量层(即，作为最终层的Al0.12Ga0.88As层112b和Al0.12Ga0.88As层112c)的带隙能Eg1，与量子阱有源层108b的带隙能Eg2的差值，|Eg1-Eg2|，大于等于0.1电子伏(eV)且小于等于0.3eV。通过将这两个带隙能之间的差值限定在0.1到0.3eV的范围内，当VCSEL在高温下工作时，光输出的损耗被抑制在确定的量内，如下文所述。
图4是示出顶层厚度T和上DBR的反射率之间关系的曲线图。横轴表示顶层厚度T(作为接触层厚度与上DBR的顶层厚度之和的光学厚度)，纵轴表示反射率。图中所示的是使用金层作为上电极时的曲线以及不使用金层时的曲线。从图中显见，在没有形成金层的情况下，反射率即使在顶层厚度T变化时也不会有很大变化。换句话说，在形成在上电极130中的开口132的光轴附近，反射率不会有很大变化，且反射率高于99％。
另一方面，在形成有作为上电极130的金层的区域中，当顶层厚度T接近λ/4时，反射率比没有金层的区域的反射率稍小。当顶层厚度T减小到约0.215λ时，此反射率不变。随着顶层厚度T进一步减小到低于0.195λ，反射率减小，且当顶层厚度约0.155λ时，反射率变为约90％，此值为最小值。如果顶层厚度进一步减小到低于0.155λ，则反射率再次增大。
在此示范性实施方式的VCSEL中，没有金层的区域(即，开口132的光轴附近)的反射率，与有金层的区域(与光轴隔开的区域)的反射率之间的差比现有技术的VCSEL(顶层厚度T为λ/4或顶层112c为λ/4)的反射率要高，因此更有效地抑制了高阶横模激射，且抑制了低阶横模激射的阈值提高。结果，当VCSEL在低温下工作时，就获得了恒定的输出。
发明人发现，通过使顶层厚度T落入(0.195±0.02)λ的范围内，尤其是0.195λ附近，可以更好地抑制高阶横模。发明人还发现，如果顶层厚度T落入(0.155±0.02)λ的范围内，则反射率变得太小以致于不能获得良好的低阶横模激射。
图5例示了根据示范性实施方式的VCSEL的高阶横模抑制。上面的两个波形表示示范性实施方式的VCSEL的激射谱和远场图(FFP)，下面的两个波形表示现有技术的VCSEL的激射谱和远场图(FFP)。图6示出了获得图5所示的波形时，示范性实施方式的VCSEL的尺寸与现有技术的VCSEL的尺寸的比较。
通过比较激射谱可以观察到，在示范性实施方式的VCSEL中，基横模激射出现在850nm附近，而高阶横模在850nm附近被抑制。相反，在现有技术的VCSEL中，850nm附近出现多个高阶模激射。通过比较FFP可以观察到，高阶横模受到了抑制，因此在示范性实施方式中获得了几乎为单峰图的光强，而现有技术的VCSEL的光强是双峰图。
图7示出了当VCSEL以恒定驱动电流进行工作时，光输出比相对于带隙能差的温度依赖性。纵轴表示示范性实施方式的VCSEL在高温下工作(VCSEL的环境温度为85摄氏度)时的光输出与在室温下工作(25摄氏度)时的光输出之比。横轴表示包含在上DBR中的低Al含量AlGaAs层的带隙能与有源层的带隙能的差。这些光输出中较高的比值表示在高温下工作时光输出的降低较小。从图7中显见，在能量差大于等于0.1eV且小于等于0.3eV的范围中，这些光输出的比率变为大于等于0.6；换句话说，高温下的光输出降低变为低于40％，因此可以获得高温工作条件下更好的性能。当能量差低于0.1eV时，由于构成分布式布拉格反射器且具有高折射率的AlGaAs层的光吸收，发热量增加，且高温下的光输出降低。当能量差高于0.3eV时，构成分布式布拉格反射器的每个半导体层的折射率的差减小，因此反射率降低且阈值升高，因此高温下恒定驱动电流时的光输出整体降低。如果增加AlGaAs层的对数来提高反射率，则元件电阻增大且发热量增加，因此高温下恒定驱动电流时的光输出降低。
如上所述，在示范性实施方式的VCSEL中，使顶层厚度T小于λ/4，从而抑制了在低温下工作时的高阶横模激射，可以获得高于现有技术的光输出。此外，顶层厚度T易于制造，因为只要改变上DBR 112的顶层112c的厚度，而不需为传统制造工艺增加额外的工艺。此外，通过按照使上DBR的低Al含量层的带隙能与有源层的带隙能的差落入0.1到0.3eV范围内的方式来选择含量，即使在高温下工作，也可以获得高的光输出。
上述示范性实施方式中展示的是使用AlGaAs系统化合物半导体的VCSEL，但是，本发明还可适用于使用其他III-V族化合物半导体的VCSEL。在示范性实施方式中，形成在VCSEL中的电流限制层是单层；但是，它也可以是多层，优选地布置在有源层附近。此外，柱的形状除了圆柱形以外还可以是矩形。
下面参照图8A到10B，来说明一种制造示范性实施方式的VCSEL的方法。如图8A所示，通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，在n型GaAs基板102的表面上沉积载流子浓度为1×1018cm-3且厚度为大约0.2μm的n型缓冲层104。在缓冲层104上，交替地堆叠厚度均为介质中波长的1/4的Al0.9Ga0.1As与Al0.12Ga0.88As 40.5个周期，以形成载流子浓度为1×1018cm-3且总厚度为大约4μm的下n型DBR 106。在其上顺序堆叠：由未掺杂的下Al0.6Ga0.4As制成的作为间隔体层的有源区域108；未掺杂的量子阱有源层(由三个厚度均为70nm的GaAs量子阱层，以及四个厚度均为50nm的Al0.3Ga0.7As阻挡层制成)；未掺杂的上Al0.6Ga0.4As间隔体层；p型AlAs层110；上p型DBR 112，其载流子浓度为1×1018cm-3且总厚度为大约2μm，是通过堆叠Al0.9Ga0.1As和Al0.12Ga0.88As 30个周期从而每个层的厚度均为介质中波长的1/4而制成的；以及p型GaAs接触层114，其载流子浓度为1×1019cm-3且厚度为大约20μm。
在此堆叠中，堆积作为上p型DBR 112的最终层的Al0.12Ga0.88As层112c(见图3)，使得层112c的厚度变得不同于(即，小于)其他Al0.12Ga0.88As层112b的厚度。这可以通过控制沉积时间来实现。此外，如下来选择上DBR 112的低Al含量Al0.12Ga0.88As层112b和112c的Al含量，即，使Al0.12Ga0.88As层与量子阱有源层之间的带隙能的差落入0.1到0.3eV的范围内。
通过依次改变使用三甲基镓、三甲基铝以及砷化三氢作为源气体，并使用环戊二烯合镁(cyclopentadinium magnesium)作为p型掺杂物，硅烷作为n型掺杂物，使基板温度保持750摄氏度，无需抽真空，而连续执行沉积来形成这些层。虽然没有进行详细描述，但是为了降低DBR的电阻，可以在Al0.9Ga0.1As和Al0.12Ga0.88As之间的界面上设置厚度大约20nm，其中Al含量从90％到12％逐步变化的区域。
之后，如图8B所示，通过使用光刻工艺在晶体生长层上形成抗蚀剂掩模R。然后，通过使用三溴化硼作为蚀刻气体来执行反应离子蚀刻，以形成深达下DBR 106中部的环形槽116，如图8C所示。通过该工艺，形成了直径大约10到30μm的圆柱半导体柱P或直角棱柱形半导体柱P以及围绕该柱P的焊盘形成区域118。
然后，如图9A所示，例如在340摄氏度下将基板暴露在蒸汽中特定的时间量以执行氧化工艺。构成电流限制层110的AlAs层的氧化速度明显比还构成电流限制层110的一部分的Al0.9Ga0.1As层或Al0.12Ga0.88As层更快，因此，从柱P的侧面形成了反映该柱P的形状的氧化区域110a，而剩下未氧化的非氧化区域(导电区域)成为电流注入区域或导电区域。在该工艺中，通过控制氧化距离可以获得导电区域的直径D2。
接下来，在移除电阻R后，如图9B所示，通过使用等离子体CVD设备，在基板的包括槽116的整个表面上沉积由SiN制成的夹层绝缘膜120。在这之后，如图9C所示，通过使用常规光刻工艺来蚀刻夹层绝缘膜120，以在夹层绝缘膜120中柱P的顶部形成圆形接触孔120a，从而暴露接触层114。另选的是，接触孔120a可以为环形，且成为发射区域的接触层114可以用SiN来保护，如图2所示。
此后，如图10A所示，通过使用光刻工艺在柱P上部的中心部分形成抗蚀剂图案R1。在抗蚀剂图案R1之上，使用EB沉积设备沉积100到1000nm，优选为600nm的Au作为p侧电极材料。在剥落抗蚀剂图案R1时，抗蚀剂图案R1上的Au被移除，如图10B所示，并形成了上电极130、电极焊盘134以及引出配线136。从没有p侧电极的区域，即从位于柱的中心部分处的开口132发射出激光。开口132的直径优选为3到20μm。虽然没有在此做详细描述，但是形成在柱P上的金属开口区域可以在形成所述柱之前形成。
在基板背面沉积Au/Ge作为n电极。此后，在250到500摄氏度，优选为300到400摄氏度的退火温度下进行10分钟的退火。退火时间不必局限于10分钟，而是可以在0到30分钟的范围内。同样，沉积方法不必局限于EB沉积，而是可以使用电阻加热法、溅射法、磁电管溅射法或CVD法。此外，退火方法不必局限于使用普通电炉的热退火，而是可以通过利用红外辐射的快速退火或激光退火、利用高频加热的退火、利用电子束的退火或利用灯加热的退火来获得类似的效果。
图11是半导体激光器件的封装(模块)的示意性截面图，在该封装中安装了VCSEL芯片。在封装300中，其中形成有VCSEL的芯片310固定在金属条(stem)330上的次粘着基台(submount)320上。导线340和342插入在条330的通孔(未示出)中。一条导线340与形成在芯片310背面上的n侧下电极150电耦接，另一条导线342与形成在芯片310上表面上的p侧电极130电耦接(例如，通过键合线)。
在盖350的发射窗口352中固定有球透镜360。球透镜360的光轴被定位成与芯片310的开口132的中心近似匹配。对芯片310与球透镜360之间的距离进行调节，以使球透镜360包含在来自芯片310的激光的辐射角θ内。在导线340和342之间施加前向电压时，激光从芯片310发射出来，并通过球透镜输出到外部。该封装中可以包括感光元件以监视VCSEL的发射状态。
图12例示了另一封装的构成，该封装优选地用在随后描述的空间传输系统中。在图12所示的封装302中，平板玻璃362固定在盖350的中心部分处的发射窗口352中，而没有使用球透镜360。平板玻璃362的中心被定位成与芯片310的开口132的中心近似匹配。对芯片310与平板玻璃362之间的距离进行调节，以使平板玻璃362的开口直径大于等于来自芯片310的激光的辐射角θ。
图13是示出其中将图11所示的封装或模块应用于光发送装置的构成的示意性截面图。光发送装置400包括固定在条330上的圆柱壳体410、与壳体410形成为一体且位于其边缘表面上的套420、保持在套420的开口422中的套圈430，以及由套圈430保持的光纤440。
壳体的边缘部分固定在形成于条330圆周方向上的法兰332中。套圈430恰好位于套420的开口422中，光纤440的光轴与球透镜360的光学对齐。光纤的芯保持在套圈430的通孔432中。
从芯片310表面发射出的激光被球透镜360会聚。会聚光被注入光纤440的芯中，并进行发送。虽然在上述示范性实施方式中使用了球透镜360，但是也可以使用其他透镜如双凸透镜或平凸透镜。此外，光发送装置400可以包括用于将电信号施加给导线340和342驱动线路。此外，光发送装置400可以具有通过光纤440来接收光信号的接收功能。
图14例示了其中将图12所示的封装用于空间传输系统的构成。空间传输系统500包括封装300、会聚透镜510、扩散板520以及反射镜530。在空间传输系统500中，使用了会聚透镜510，而没有使用封装300中所使用的球透镜。但是也可以使用具有球透镜的封装，而不是由具有平板玻璃和会聚透镜的封装所组成的模块。经会聚透镜510会聚的光穿过反射境530的开口532而被扩散板520反射。反射光朝向反射境530反射。反射境530将该反射光朝向预定方向反射，从而进行光传输。可以使用多点型VCSEL作为空间传输的光源，以获得较高输出。
图15例示了其中使用VCSEL作为光源的光传输系统的构造的实施例。光传输系统600包括：包含其中形成有VCSEL的芯片310的光源610；光学系统620，例如用于对从光源610发射出的激光进行会聚；光接收器630，用于接收从光学系统620输出的激光；以及控制器640，用于控制光源610的驱动。控制器640向光源610提供用于驱动VCSEL的驱动脉冲信号。通过光纤或反射镜将从光源610发射出的光通过光学系统620传输到光接收器630，从而进行空间传输。光接收器630通过例如光电探测器来探测接收光。光接收器630能够通过控制信号650来对控制器640的操作(例如，光传输的开始定时)进行控制。
接下来，对用于光传输系统的光传输装置的构成进行说明。图16例示了光传输装置的外部构成。光传输装置700包括壳710、光信号发送/接收连接器720、发光/受光元件730、电信号缆线连接器740、电源输入750、表示正常工作的LED 760、表示异常的LED 770以及DVI连接器780。
图17示出了其中使用了光传输装置700的视频传输系统。视频传输系统800包括视频信号产生器810、图像显示器820、用于DVI的电缆线830、发送模块840、接收模块850、用于视频信号传输光信号的连接器860、光纤870、用于控制信号的缆线连接器880、电源适配器890以及用于DVI的电缆线900。视频传输系统800使用图16中所示的光传输系统将产生于视频信号产生器810处的视频信号传输到诸如液晶显示器的图像显示器820上。
根据本发明一方面的VCSEL能够被用于诸如光数据处理或光高速数据通信的领域。

Claims (20)

1.一种垂直腔表面发射激光二极管，该垂直腔表面发射激光二极管包括：
基板；
第一导电类型的第一半导体多层；
有源层；
第二导电类型的第二半导体多层，所述第二半导体多层与所述有源层和所述第一半导体多层一起构成了谐振器；
第二导电类型的接触层；
这些层中的每一层都堆叠在所述基板上，该垂直腔表面发射激光二极管还包括
形成在所述接触层上的金属层，所述金属层包括开口部分，该开口部分限定了发射激光的区域；
并且当激光的振荡波长为λ时，作为所述接触层的厚度和与所述接触层接触的所述第二半导体多层的顶层的厚度之和的光学厚度T在0.193λ到0.197λ的范围内，所述接触层覆盖所述顶层的整个表面。
2.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述第二半导体多层包括多个层，这多个层是多对具有第一折射率的第一半导体层和具有第二折射率的第二半导体层。
3.根据权利要求2所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中，包括在所述第二半导体多层中的多个第一半导体层中的作为顶层的第一半导体层的带隙能与所述有源层的带隙能之间的差大于等于0.1电子伏，且小于等于0.3电子伏。
4.根据权利要求2所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述第一半导体层和第二半导体层由具有不同Al含量的AlGaAs制成，所述接触层由GaAs制成。
5.根据权利要求4所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述第一半导体层的Al含量比所述第二半导体层的Al含量少。
6.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，其中所述金属层由金制成，或者由钛和金的堆叠层制成。
7.根据权利要求1所述的垂直腔表面发射激光二极管，该垂直腔表面发射激光二极管还包括所述接触层和所述基板之间的电流限制层，所述电流限制层包括高电阻区域和被所述高电阻区域包围的导电区域，并且所述金属层的所述开口部分比所述导电区域的直径小大约0到3μm。
8.根据权利要求7所述的垂直腔表面发射激光二极管，该垂直腔表面发射激光二极管还包括所述基板上的柱，所述柱至少包括金属层、接触层、第二半导体多层和电流限制层，并且所述电流限制层的高电阻区域是从所述柱的侧面被氧化的氧化区域。
9.一种模块，该模块包括：
垂直腔表面发射激光二极管；以及
要配备的光学组件，
所述垂直腔表面发射激光二极管包括：基板；第一导电类型的第一半导体多层；有源层；第二导电类型的第二半导体多层，所述第二半导体多层与所述有源层和所述第一半导体多层一起构成了谐振器；接触层；这些层中的每一层都堆叠在所述基板上，所述垂直腔表面发射激光二极管还包括形成在所述接触层上的金属层，所述金属层包括开口部分，该开口部分限定了发射激光的区域；并且当激光的振荡波长为λ时，作为所述接触层的厚度和与所述接触层接触的所述第二半导体多层的顶层的厚度之和的光学厚度T在0.193λ到0.197λ的范围内，其中所述接触层覆盖所述顶层的整个表面。
10.一种光发送装置，该光发送装置包括：
模块；以及
发送部，该发送部通过光学介质来发送从所述模块发射的激光，
所述模块包括垂直腔表面发射激光二极管和要配备的光学组件，
所述垂直腔表面发射激光二极管包括：基板；第一导电类型的第一半导体多层；有源层；第二导电类型的第二半导体多层，所述第二半导体多层与所述有源层和所述第一半导体多层一起构成了谐振器；接触层；这些层中的每一层都堆叠在所述基板上，所述垂直腔表面发射激光二极管还包括形成在所述接触层上的金属层，所述金属层包括开口部分，该开口部分限定了发射激光的区域；并且当激光的振荡波长为λ时，作为所述接触层的厚度和与所述接触层接触的所述第二半导体多层的顶层的厚度之和的光学厚度T在0.193λ到0.197λ的范围内，其中所述接触层覆盖所述顶层的整个表面。
11.一种光空间传输装置，该光空间传输装置包括：
模块；以及
传输部，该传输部对从所述模块发射的光进行空间传输，
所述模块包括垂直腔表面发射激光二极管和要配备的光学组件，
所述垂直腔表面发射激光二极管包括：基板；第一导电类型的第一半导体多层；有源层；第二导电类型的第二半导体多层，所述第二半导体多层与所述有源层和所述第一半导体多层一起构成了谐振器；接触层；这些层中的每一层都堆叠在所述基板上，所述垂直腔表面发射激光二极管还包括形成在所述接触层上的金属层，所述金属层包括开口部分，该开口部分限定了发射激光的区域；并且当激光的振荡波长为λ时，作为所述接触层的厚度和与所述接触层接触的所述第二半导体多层的顶层的厚度之和的光学厚度T在0.193λ到0.197λ的范围内，其中所述接触层覆盖所述顶层的整个表面。
12.一种光发送系统，该光发送系统包括：
模块；以及
发送部，该发送部对从所述模块发射的激光进行发送，
所述模块包括垂直腔表面发射激光二极管和要配备的光学组件，
所述垂直腔表面发射激光二极管包括：基板；第一导电类型的第一半导体多层；有源层；第二导电类型的第二半导体多层，所述第二半导体多层与所述有源层和所述第一半导体多层一起构成了谐振器；接触层；这些层中的每一层都堆叠在所述基板上，所述垂直腔表面发射激光二极管还包括形成在所述接触层上的金属层，所述金属层包括开口部分，该开口部分限定了发射激光的区域；并且当激光的振荡波长为λ时，作为所述接触层的厚度和与所述接触层接触的所述第二半导体多层的顶层的厚度之和的光学厚度T在0.193λ到0.197λ的范围内，其中所述接触层覆盖所述顶层的整个表面。
13.一种光空间传输系统，该光空间传输系统包括：
模块，以及
传输部，该传输部对从所述模块发射的光进行空间传输，
所述模块包括垂直腔表面发射激光二极管和要配备的光学组件，
所述垂直腔表面发射激光二极管包括：基板；第一导电类型的第一半导体多层；有源层；第二导电类型的第二半导体多层，所述第二半导体多层与所述有源层和所述第一半导体多层一起构成了谐振器；接触层；这些层中的每一层都堆叠在所述基板上，所述垂直腔表面发射激光二极管还包括形成在所述接触层上的金属层，所述金属层包括开口部分，该开口部分限定了发射激光的区域；并且当激光的振荡波长为λ时，所述接触层的厚度和与所述接触层接触的所述第二半导体多层的顶层的厚度之和的光学厚度T在0.193λ到0.197λ的范围内，其中所述接触层覆盖所述顶层的整个表面。
14.一种制造垂直腔表面发射激光二极管的方法，该方法包括：
在基板上形成至少第一导电类型的第一半导体多层；
在所述第一半导体多层上形成有源区域；
在所述有源区域上形成第二导电类型的第二半导体多层，使得所述第二半导体多层的顶层的厚度比所述第二半导体多层的其他层的厚度要薄；
在所述第二半导体多层上形成第二导电类型的接触层，使得作为所述顶层和覆盖所述顶层的整个表面的所述接触层的厚度之和的光学厚度T在0.193λ到0.197λ的范围内；以及
在所述接触层上形成金属层，所述金属层包括限定了发射激光的区域的开口部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二半导体多层包括多个半导体层，这多个半导体层是多对具有第一折射率的第一半导体层和具有第二折射率的第二半导体层，并且光学厚度T小于λ/4，该光学厚度T是作为所述第二半导体多层的顶层的第一半导体层的厚度与所述接触层的厚度之和，并且除作为顶层的所述第一半导体层以外的第一半导体层中的每一层的光学厚度和所述第二半导体层中的每一层的光学厚度分别等于λ/4。
16.根据权利要求15所述的方法，其中包括在所述第二半导体多层中的多个第一半导体层中的作为所述第二半导体层的顶层的第一半导体层的带隙能与所述有源层的带隙能之间的差大于等于0.1电子伏，且小于等于0.3电子伏。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一半导体层和第二半导体层由具有不同Al含量的AlGaAs制成，所述接触层由GaAs制成。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一半导体层的Al含量比所述第二半导体层的Al含量少。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述金属层由金制成，或者由钛和金的堆叠层制成。
20.根据权利要求14所述的方法，该方法还包括：
在所述基板和所述接触层之间形成电流限制层；
通过对所述基板上的所述第一半导体多层和第二半导体多层进行蚀刻在所述基板上形成柱；以及
从所述柱的侧面对所述电流限制层的外围进行氧化，其中所述金属层的所述开口部分比被所述电流限制层的氧化区域包围的导电区域的直径小大约0到3μm。
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