CN101350499B - 表面发射激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种表面发射激光器及其制造方法。该表面发射激光器能够保持基横模，以获得较高功率，同时抑制高阶横模振荡。该表面发射激光器包括：孔口部分，其是用于将电流注入活性层的路径；电流限制区域，其被提供在孔口部分的周边；以及电流注入区域，其被提供在光输出侧的相对于活性层的相对侧上，该活性层在该光输出侧和该相对侧之间，其中，在电流注入区域中的电流注入路径的直径小于孔口部分的直径。

Description

表面发射激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及表面发射激光器以及制造该表面发射激光器的方法，更具体地，本发明涉及利用基横模来实现较高功率以及改进的量子效率的表面发射激光器以及制造该表面发射激光器的方法。
背景技术
常规垂直腔表面发射激光器(下文中称为VCSEL)采用如下结构，其中发光区域的直径被变窄到大致5μm以获得基横模的激光器振荡。
因此，活性层区域的体积变得更小，由此降低了光学功率。
为了解决该问题，在日本专利申请特开第2002-208755号中提出了一种抑制了高阶横模振荡而不影响基横模振荡的表面发射半导体激光器。
图5示出了表面发射半导体激光器，其中在半导体基板101之上提供有下部n型分布布拉格反射器(DBR)层103，活性区域104以及上部p型DBR层106。
在上部p型DBR层106之上形成有具有用作激光输出区域的孔口部分127的上部p型电极108。电流限制区域124被形成为氧化区域。
根据具有上述结构的表面发射半导体激光器，基于与上部p型电极108对应的腔的反射率确定电流限制区域124的孔口直径和上部p型电极108的孔口直径，从而，在激光的高阶横模和基横模之间腔的光学损耗差变得更大。
也就是说，在活性层(活性区域)附近提供的并且被插入以限制电流路径的电流限制区域的孔口直径以及被提供以输出激光的上部p型电极的孔口直径被如上所述地确定。因此，在基横模下实现高光学功率。
在具有台面结构的发光器件中，在活性层附近提供的电流限制区域对于减少流过该台面结构的已加工表面的泄漏电流非常有效。因此，电流限制区域对于高效台面型VCSEL是极其重要的。
另一方面，激光器振荡不仅依赖于腔的反射特性，而且依赖于活性层的发光复合(增益)分布。
具体地，在具有用于通过氧化区域对使电流(限制电流以)注入活性层的路径进行限制的孔口部分的电流限制区域中，电流被限制于该孔口部分。然而，电流集中在该孔口部分的周边区域上，从而增益必然变得更大，由此激发了高阶横模。因此，在如日本专利申请特开第2002-208755中所公开的其中腔的反射损耗被控制以实现基横模振荡的结构中，如上所述，高阶横模下的增益增加，从而腔的反射损耗增加以抑制高阶横模。
由此，如上所述的常规示例具有在注入功率和光学功率之间的转换效率(量子效率)的问题。
此外，常规示例的问题在于，电流限制区域的氧化区域的折射率与非氧化区域的折射率之间的差异大，从而发光器件成为其中波导光被强烈限制的折射率波导型并且具有其中容易获得高阶横模的波导结构。
发明内容
已经考虑到上述问题而做出了本发明。本发明的目的是提供一种表面发射激光器，其能够保持基横模，以获得较高功率，同时抑制高阶横模振荡，还提供一种制造该表面发射激光器的方法。
根据本发明，提供了一种具有以下结构的表面发射激光器以及该表面发射激光器的制造方法。
根据本发明的表面发射激光器包括：孔口部分，其是用于将电流注入活性层的路径；电流限制区域，其被提供在孔口部分的周边上；以及电流注入区域，其被提供在光输出侧的相对于活性层的相对侧上，该活性层在该光输出侧和该相对侧之间，其中，在电流注入区域中的电流注入路径的直径小于孔口部分的直径。
在根据本发明的表面发射激光器中，电流限制区域的强度等于或小于活性层中的光强度分布的最大强度的50％。
在根据本发明的表面发射激光器中，电流注入区域中的电流注入路径的直径Di和孔口部分的直径Do满足以下关系式(1)：
Di＜Do-4(μm)        (1)。
在根据本发明的表面发射激光器中，电流注入区域被结合到在基板上形成的配线图案。
在根据本发明的表面发射激光器中，包括配线图案的基板是以下之一：硅基板，氧化铝基板，以及其上形成有绝缘膜的铜钨(CuW)基板。
在根据本发明的表面发射激光器中，包括配线图案的基板是硅基板并且包括用于驱动表面发射激光器的驱动电路。
在根据本发明的表面发射激光器阵列中，以一维或二维方式布置有上述表面发射激光器中的任一种。
根据本发明，一种制造表面发射激光器的方法，该表面发射激光器包括电流限制区域，该电流限制区域具有作为用于将电流注入活性层的路径的孔口部分，所述方法包括：在基板上形成台面结构的表面发射激光器图案，所述表面发射激光器图案包括用于形成电流限制区域的层；在用于形成电流限制区域的层中形成作为用于将电流注入活性层的路径的孔口部分；使孔口部分的周边绝缘以形成电流限制区域；并且在台面结构的顶部中央处，在光输出侧的相对于活性层的相对侧上，形成电流注入区域，该电流注入区域的电流注入路径的直径小于电流限制区域的孔口部分的直径，该活性层在该光输出侧和该相对侧之间。
根据本发明的制造表面发射激光器的方法还包括在形成电流注入区域之后，使其上已经形成有电流注入区域的表面面对其上形成有配线图案的不同基板并与该不同基板相结合。
根据本发明的制造表面发射激光器的方法还包括在使其上已经形成有电流注入区域的表面面对其上形成有配线图案的不同基板并与该不同基板相结合的步骤之后，去除在形成表面发射激光器图案的步骤中使用的基板。
在根据本发明的制造表面发射激光器的方法中，在形成台面结构的表面发射激光器图案的步骤中所使用的基板是GaAs基板，并且在使其上已经形成有电流注入区域的表面面对其上形成有配线图案的不同基板并与该不同基板相结合的步骤中所使用的基板是硅基板。
根据本发明的表面发射激光器包括在基板上从基板侧起依次布置的：p型电极，p型DBR，一层，活性层，n型DBR，和n型电极。所述一层包括电流限制区域和被该电流限制区域包围的孔口部分，包括一部分p型电极的电流注入区域的直径小于孔口部分的直径，以防止注入电流集中在孔口部分的周边上。
根据本发明，能够保持基横模，以获得较高功率，同时抑制高阶横模振荡。
根据以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其它特征将变得显而易见。
附图说明
图1是例示根据本发明实施例的表面发射激光器的结构示例的示意解释性透视图。
图2A，2B，2C和2D是例示根据本发明实施例的制造表面发射激光器的方法的解释性视图。
图3E，3F和3G是例示根据本发明实施例的制造表面发射激光器的方法的解释性制造工艺视图，其在图2A，2B，2C和2D所例示的制造工艺之后。
图4是例示在电流没有被限制在活性层附近的状态下对根据本发明实施例的表面发射激光器的复合强度分布进行模拟而获得的结果的曲线图，该表面发射激光器具有包括2μm的电流注入区域的台面结构。
图5是例示日本专利申请特开第2002-208755号中公开的常规表面发射激光器的结构的解释性视图。
具体实施方式
下面，将根据附图详细描述根据本发明实施例的表面发射激光器。
图1是例示根据本实施例的表面发射激光器的结构示例的示意解释性透视图。
在图1中，表面发射激光器包括：活性层5，电流限制区域6，电流注入区域8，p型金属电极(下部电极)41，硅基板51，金属配线52，n型金属电极(上部电极)61，和发光窗口62。
根据本实施例的表面发射激光器还包括把活性区域(活性层)5夹在中间的上部多层膜反射器DBR-1和下部多层膜反射器DBR-2。上部多层膜反射器DBR-1，下部多层膜反射器DBR-2和活性区域5构成腔。
n型金属电极(上部电极)61位于腔之上。p型金属电极(下部电极)41位于腔之下。用于输出激光的发光窗口62被提供在n型金属电极61中。电流注入区域8在p型金属电极41中被形成在发光窗口62的光输出侧的相对侧。
电流限制部分(电流限制区域)6被邻近活性层5提供并且具有通过对电流路径的周边部分进行绝缘而形成的孔口部分。
在这种情况下，p型金属电极(下部电极)41的电流注入区域8中的电流注入路径的直径被设置为小于电流限制部分6的孔口部分的直径。
在本实施例中，包括在光输出侧的相对侧上提供的电流注入区域8的下部电极41可以与其上形成有配线图案的基板的配线相连，或者与用于表面发射激光器的其上形成有驱动电路的基板的配线相连。
其上形成有配线图案的基板可以是以下中的任一种：硅基板，由氧化铝制成的高导热绝缘基板，以及由铜钨制成的并且其上形成有绝缘膜的高导热基板。
在本实施例中，上述表面发射激光器可以用于具有一维或二维布置的表面发射激光器阵列。
根据本实施例的结构，p型金属电极(下部电极)41的电流注入区域8中的电流注入路径的直径被设置为小于电流限制部分6的孔口部分的直径。因此，电流可以集中在电流限制部分6的孔口部分的中央区域上。
由此，可以避免由于电流集中在电流限制部分的孔口部分的周边上而引起的高阶横模增益的增加，结果，可以实现基横模中的高功率和改进的量子效率。
注意，这里描述的直径是平行于基板的面内方向的截面的直径。
此外，大部分波导光远离折射率显著变化的绝缘区域，由此，波导的光限制被减弱，从而，可以作为波导特性抑制高阶横模振荡。
根据本实施例中的结构，可以将下部电极直接结合到其上形成有配线图案的基板，或者用于表面发射激光器的其上形成有驱动电路的基板。因此，当要组装包括驱动电路的发光设备时，在安装过程中的结合导线的数量可以被减少，以减小发光设备的尺寸。
根据本实施例中的结构，当高导热基板被用作表面发光器件所结合到的基板时，获得高光学功率。
此外，在阵列配置中，可以减少相邻器件之间的干涉。
如上所述，根据本发明的本实施例，表面发射激光器包括：用作用于将电流注入活性层的路径的孔口部分；以及在该孔口部分的周边上提供的电流限制区域。然而，本发明不限于该激光器，由此可以被应用于诸如LED之类的发光器件。
即使在此情况下，本发明的特征也在于表面发射激光器包括在光输出侧的相对于活性层的相对侧上提供的电流注入区域，该活性层在该光输出侧和该相对侧之间，并且电流注入区域中的电流注入路径的直径被设置为小于孔口部分的直径。
期望提供电流限制区域以获得等于或小于在活性层中的光强度分布的最大强度的50％的强度，更为优选的，获得等于或小于其最大强度的30％的强度。强度的下限并不具体地限制且以及等于或大于例如5％。
参照图1描述了本发明的本实施例。光可以从上部电极的窗口输出。
根据本发明中的表面发射激光器，从p型金属电极起的电流注入区域的直径被设置为小于孔口部分的直径，以如上所述，防止电流集中在孔口部分的周边上。也就是说，根据本发明的表面发射激光器包括在基板上从基板侧起依次提供的：p型电极，p型分布布拉格反射器(DBR)，电流限制区域，活性层，n型DBR和n型电极。电流限制区域的孔口部分被该电流限制区域包围。为了防止注入电流集中在孔口部分的周边上，被提供为一部分p型电极的电流注入区域的直径小于孔口部分的直径。
接下来，将描述根据本发明实施例的制造表面发射激光器的方法。
图2A到2D以及图3E到3G是例示根据本实施例的制造表面发射激光器的方法的解释性视图。
图2A到2D是例示根据本实施例的制造表面发射激光器的方法的视图。
图3E到3G是例示根据本实施例的制造表面发射激光器的方法的视图，其在图2A到2D所例示的制造工艺之后。
如图2A所例示的，通过作为公知技术的MOCVD方法，在GaAs基板1上生长以下各层。
也就是说，在GaAs基板1上相继生长n型GaAs缓冲层2，n型AlAs层3，n型AlxGa1-xAs层4，n型DBR层DBR-1，活性区域5，p型AlAs层6，p型DBR层DBR-2以及p型接触层7。
n型DBR层DBR-1是层叠结构，其中Al成分互不相同的AlyGa1-yAs层和AlzGa1-zAs层交替层叠，以使得每层的膜厚度为λ/4nr(λ表示激光器振荡波长，nr表示组成介质的折射率)。
活性层5包括用作量子结构的多个量子阱层和阻挡层。活性层5还包括将量子结构夹在中间的隔体层，每个隔体层由未掺杂的AlxGa1-xAs制成。
利用水蒸汽对p型AlAs层6进行氧化处理(这将在稍后进行)，以形成电流限制区域。
p型DBR层DBR-2是层叠结构，其中Al成分互不相同的AlyGa1-yAs层和AlzGa1-zAs层交替层叠，以使得每层的膜厚度为λ/4nr。p型接触层7形成金属电极，以获得欧姆接触。
接下来，如图2B所示，在基板的整个表面上淀积绝缘膜，然后通过光刻工艺和公知刻蚀技术执行刻蚀，直到至少p型AlAs层6被暴露，由此形成VCSEL图案21。
随后，如图2C所示，通过作为公知技术的湿式氧化从台面形状的周围物起选择性氧化所暴露的p型AlAs层6，以形成被氧化区域6-1包围的非氧化区域(孔口部分)6-2。
因此，在活性区域的附近形成电流限制部分，该电流限制部分具有用作至活性层的电流路径的孔口部分。
在具有台面结构的发光器件中，在活性层附近提供的电流限制部分的氧化区域对于减少流过该台面结构的已加工表面的泄漏电流非常有效。因此，电流限制区域对于台面型VCSEL是重要的。
在本实施例中，在表面发射器件的活性层附近形成的电流限制部分的孔口部分直径是根据电流注入区域的直径确定的(参见图1)。
十分期望在如下区域中形成电流限制部分的氧化区域，在所述区域中，不具有电流限制部分的活性层中的电子空穴复合的强度等于或小于最大强度的约50％。
图4例示在电流没有被限制在具有2μm的电流注入区域的台面结构中的活性层附近的状态下对复合强度分布进行模拟而获得的结果。活性层中的复合强度等于或小于最大值的50％的区域比电流注入区域宽大约4μm。
也就是说，当电流注入区域中的电流注入路径的直径由Di表达，并且电流限制区域中的孔口部分的直径由Do表达时(参见图1)，期望基本上满足以下关系表达式(1)。
Di＜Do-4(μm)    (1)。
接下来，如图2D所例示的，图2C的绝缘膜被去除，然后淀积绝缘层31以在台面结构的顶部的中央附近形成孔口部分32。
随后，如图3E所示，相继地淀积p型金属电极41，以在包括孔口部分32的区域中形成电流注入区域8。
如图3F所示，在硅基板51上形成绝缘膜，然后通过光刻工艺形成与图3E的台面图案对应的金属配线图案52。
金属配线图案52和图3E的结构彼此面对并且结合，如图3G所例示的。
作为公知技术的直接结合技术可以用于该结合。
也就是说，要结合的各个金属表面被清洗并且使其相互接触，然后施加热和压力。
接下来，通过公知技术去除GaAs基板1。在本实施例中，通过使用氢氟酸型刻蚀溶液选择性地刻蚀在GaAs基板1附近层叠的n型AlAs层3，以去除GaAs基板1。
随后，形成具有用于将激光输出到由选择性刻蚀而产生的去除表面的孔口部分的n型金属电极，以完成VCSEL。
当其上形成有配线图案的硅基板被用作具有驱动VCSEL所需的电路的晶片时，可以实现小尺寸的发光设备。小尺寸发光设备对于其中多个发光器件以一维或二维布置的设备是非常有用的。
在通过上述工艺制造的VCSEL中，从p型(p侧)金属电极的小电流注入区域注入的空穴电流(holecurrent)到达活性层，而空穴电流由于扩散而在横向上轻微传播。电流分布的主要部分小于电流限制部分的孔口部分，从而电流分布是单峰的。因此，通过活性层中的复合而产生的光强度分布以及通过位于活性层之上和之下的DBR反射镜对光进行振荡而产生的激光的强度分布也是单峰的。
在上述常规示例中，电流和光集中在电流限制部分的孔口部分的周边上。与此相反，在根据本实施例的结构中，电流和光集中在电流限制部分的孔口部分的中央部分上。因此，折射率显著变化的孔口部分的附近的影响小，并且波导成为增益波导型。由此，难以产生高阶横模。
根据如上所述的本实施例中的制造方法，可以通过晶片工艺制造表面发射激光器，由此，可以实现适于大批量生产的制造方法。
(示例)
将描述根据本发明示例的制造表面发射激光器的方法。
根据本示例的制造表面发射激光器的方法基本上与如上所述的根据本发明实施例的制造方法没有不同，由此将参照在本发明实施例中使用的图2A到2D以及图3E到3G来描述。
在第一步骤，通过作为公知技术的MOCVD方法，在GaAs基板1上相继生长各个层。
也就是说，在GaAs基板1上相继生长n型GaAs缓冲层2，n型AlAs层3，n型Al0.25Ga0.75As层4，n型DBR层DBR-1，活性区域5，p型AlAs层6，p型DBR层DBR-2以及p型接触层7(图2A)。n型DBR层DBR-1是这样的层叠结构，其中Al0.8Ga0.2As层和Al0.2Ga0.8As层交替层叠29.5个周期，以使得每层的膜厚度为λ/4nr(λ表示激光器振荡波长，nr表示组成介质的折射率)。
活性区域包括用作量子结构的量子阱层和阻挡层，每个量子阱层由未掺杂的Al0.11Ga0.89As制成，每个阻挡层由未掺杂的Al0.2Ga0.8As制成。活性层区域还包括将量子结构夹在中间的隔体层，每个隔体层由未掺杂的Al0.25Ga0.75As制成。
利用水蒸汽对p型AlAs层6进行氧化处理(这将在稍后进行)，以形成电流限制区域。
p型DBR层DBR-2是这样的层叠结构，其中Al0.8Ga0.2As层和Al0.2Ga0.8As层交替层叠40.5个周期，以使得每层的膜厚度为λ/4nr。
p型接触层7具有高载流子浓度，以形成金属电极来获得欧姆接触。
然后，在基板上形成包括用于形成电流限制区域的层的台面结构表面发射激光器图案。
在基板的上表面上淀积SiON膜。随后，形成抗蚀剂图案21，并且通过公知刻蚀技术执行使用该图案作为掩模的刻蚀，直到至少p型AlAs层6被暴露，由此形成直径为30μm的台面形状。然后，去除抗蚀剂(图2B)。
然后，对用于形成电流限制区域的层的周边部分进行氧化，以形成具有用作用于将电流注入活性层的路径的孔口部分的电流限制区域。
通过作为公知技术的湿式氧化从台面形状的周围物起选择性地氧化所暴露的p型AlAs层6，以形成被氧化区域包围的非氧化区域(孔口部分)。
因此，在活性区域的附近形成电流限制部分，该电流限制部分具有用作至活性层的电流路径的孔口部分(图2C)。
接下来，在台面结构的顶部中央处在光输出侧的相对于活性层的相对侧上形成电流注入区域(该电流注入区域的直径小于电流限制区域的孔口部分的直径，该活性层在该光输出侧和该相对侧之间)的工艺中，如下形成电流注入区域。
去除SiON膜，并且在整个表面上淀积SiN保护膜(绝缘层)31。随后，基本上在柱体的顶部中央附近，形成直径为10μm的圆形窗口(孔口部分32)(图2D)。然后，相继地淀积用作P型金属电极41的Ti层和Au层(图3E)。
在形成电流注入区域之后使其上已经形成有电流注入区域的表面面对其上形成有配线图案的不同基板并与该不同基板相结合的工艺中，这些基板如下相互结合。
具有其Au层被暴露于表面的金属配线图案52的硅基板51被单独制备，然后使金属配线图案52面对图3E的结构并与之结合。
该结合是直接结合，其中，要结合的各个金属表面被清洗并且使其相互接触，然后施加热和压力(图3F)。
接下来，通过公知技术去除GaAs基板1。
根据本示例中的去除方法，通过使用氢氟酸型刻蚀溶液选择性地刻蚀在GaAS基板1附近层叠的n型AlAs层3，以去除GaAs基板1。
随后，形成具有用于将激光输出到由选择性刻蚀而产生的去除表面的孔口部分的n型金属电极，以完成VCSEL(图3G)。
根据本实施例中的结构，在基横模振荡中获得高功率，并且热辐射是优异的。因此，在阵列配置中的相邻器件之间的干扰小，安装容易，并且发光器件的尺寸可以减小。
因此，可以实现适于以阵列配置使用的复印机和打印机的激光扫描仪的光源的表面发射激光器。
虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围应当被给予最宽的解释，以包含所有这种修改以及等同结构和功能。

Claims (12)

1.一种表面发射激光器，包括：
活性层；
孔口部分，其是用于将电流注入活性层的路径；
电流限制区域，其被提供在孔口部分的周边上；以及
电流注入区域，其被提供在光输出侧的相对于活性层的相对侧上，该活性层在该光输出侧和该相对侧之间，
其中，在电流注入区域中的电流注入路径的直径小于孔口部分的直径。
2.根据权利要求1的表面发射激光器，其中电流注入区域中的电流注入路径的直径Di和孔口部分的直径Do满足以下关系式(1)：
Di＜Do-4(μm)             (1)。
3.根据权利要求1的表面发射激光器，其中电流注入区域被结合到在基板上形成的配线图案。
4.根据权利要求3的表面发射激光器，其中包括配线图案的基板是以下之一：硅基板，氧化铝基板，以及其上形成有绝缘膜的铜钨基板。
5.根据权利要求3的表面发射激光器，
其中包括配线图案的基板是硅基板；并且
其中在基板上形成有用于驱动表面发射激光器的驱动电路。
6.一种表面发射激光器阵列，包括以一维布置和二维布置之一布置的多个根据权利要求1的表面发射激光器。
7.一种制造表面发射激光器的方法，该表面发射激光器包括电流限制区域，该电流限制区域具有作为用于将电流注入活性层的路径的孔口部分，所述方法包括：
在基板上形成台面结构的表面发射激光器图案，所述表面发射激光器图案包括用于形成电流限制区域的层；
在用于形成电流限制区域的层中形成作为用于将电流注入活性层的路径的孔口部分；
使孔口部分的周边绝缘以形成电流限制区域；并且
在台面结构的顶部中央处，在光输出侧的相对于活性层的相对侧上，形成电流注入区域，该电流注入区域的电流注入路径的直径小于电流限制区域的孔口部分的直径，该活性层在该光输出侧和该相对侧之间。
8.根据权利要求7的制造表面发射激光器的方法，还包括在形成电流注入区域之后，使其上已经形成有电流注入区域的表面面对其上形成有配线图案的不同基板并与该不同基板相结合的步骤。
9.根据权利要求8的制造表面发射激光器的方法，还包括在使其上已经形成有电流注入区域的表面面对其上形成有配线图案的不同基板并与该不同基板相结合的步骤之后，去除在形成表面发射激光器图案的步骤中使用的基板的步骤。
10.根据权利要求8的制造表面发射激光器的方法，
其中，在形成台面结构的表面发射激光器图案时所使用的基板是GaAs基板；并且
其中，在使其上已经形成有电流注入区域的表面面对其上形成有配线图案的不同基板并与该不同基板相结合的步骤中所使用的基板是硅基板。
11.一种表面发射激光器，包括：
基板；以及
在基板上从基板侧起依次布置的：p型电极，p型DBR，电流限制区域，活性层，n型DBR，和n型电极，
其中，电流限制区域的孔口部分被该电流限制区域包围；并且
其中，包括一部分p型电极的电流注入区域的直径小于孔口部分的直径，以防止注入电流集中在孔口部分的周边上。
12.根据权利要求11的表面发射激光器，其中，所述基板是硅。
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