CN102017338B - 具有单片集成光电二极管的垂直腔表面发射激光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括VCSEL的垂直腔表面发射激光器件，该VCSEL具有单片集成光电二极管。该光电二极管(2)由半导体材料的第一n掺杂区(6)、p掺杂区(7)、本征区(8)和第二n掺杂区(9)的层序列形成。所述光电二极管(2)和所述激光器共享在所述第一n掺杂区(6)处实现为欧姆n接触(10)的公共电极。所提出的器件允许实现较不复杂的制造，导致较低的制造成本。

Description

具有单片集成光电二极管的垂直腔表面发射激光器件
技术领域
本发明涉及包括垂直腔表面发射激光器的垂直腔表面发射激光器件，其具有被设置成测量所述激光器发射的光的强度的单片集成光电二极管。本发明还涉及包括这种垂直腔表面发射激光器件的用于测量距离和/或运动的光学传感器模块。 
背景技术
集成有光电二极管的垂直(扩展)腔表面发射激光器(VCSEL/VECSEL)是基于自混合干涉(SFI)的用于光学传感器的有吸引力的器件。这些VCSEL集成光电二极管(VIP)是飞利浦激光传感器公司(Philips Laser Sensors)的twin-eyeTM传感器的关键部件。在具有集成光电二极管的VCSEL的另外的应用中，光电二极管的信号用作用于控制或稳定VCSEL的输出功率的反馈信号。 
具有集成光电二极管的VCSEL器件的已知设计包括形成光电二极管的外延叠层，其设置在VCSEL结构的底部并且通过间隔层与VCSEL的底部DBR(DBR：分布式布拉格(Bragg)反射器)分离。在另一种设计中，光电二极管集成到VCSEL的底部DBR中。后一设计例如在US2003/0021322A1中公开，该文献描述了由集成到VCSEL的底部DBR中的n掺杂区、本征区和p掺杂区形成的光电二极管。为此目的，底部DBR分为第一n掺杂部分和第二p掺杂部分。第二p掺杂部分形成光电二极管的p掺杂区，而本征区与n掺杂区设置在DBR的所述两个部分之间。VCSEL和光电二极管共享在光电二极管的n掺杂区处实现为欧姆n接触的公共电极，该公共电极在底部DBR内形成该设计中所需的间隔层。 
尽管光电二极管可以与上面所示的VCSEL单片集成，但是制造成本显著高于标准VCSEL的制造成本。这归因于所需的外延叠层，该叠层对于具有集成光电二极管的VCSEL而言比在简单VCSEL的情况下厚得多。此外，在其中必须电接触光电二极管的p掺杂区的设计中，需要特殊的制造步骤以提供到集成光电二极管的p掺杂层的欧姆接 触。第一个缺点也施加于US 2003/0021322的器件，该器件在底部DBR中需要厚的n掺杂间隔层。这种厚间隔层是不希望的，因为它增大了制造期间的反应器生长时间，并且几乎与将光电检测器简单地安装到VCSEL的底侧而不是单片集成光电二极管一样昂贵。间隔层也要求制造期间的精确厚度控制，使得底部DBR的上下部分的镜面反射率和相位匹配。 
发明内容
本发明的目的是提供一种具有单片集成光电二极管的垂直腔表面发射激光器，其与现有技术解决方案相比允许实现较不复杂的制造，连同降低外延叠层的厚度。 
这个目的是利用依照权利要求1、2和9的垂直腔表面发射激光器件和光学传感器模块来实现的。垂直表面发射激光器件的有利实施例是从属权利要求的主题或者在说明书的后续部分和优选实施例中加以描述。 
所提出的垂直腔表面发射激光器件包括垂直腔表面发射激光器，其具有被设置成测量所述激光器发射的光的强度的单片集成光电二极管。光电二极管由半导体材料的第一n掺杂区、p掺杂区、本征区和第二n掺杂区的层序列形成。光电二极管和激光器共享在所述第一n掺杂区处实现为欧姆n接触的公共电极。这种器件可以在n掺杂衬底上制造。可替换的解决方案是在p掺杂衬底上制造的器件。在这种情况下，上面提到的以及下面的描述中的所有掺杂都必须颠倒，即n代替p并且p代替n。 
在本专利申请中，术语“垂直腔表面发射激光器”也包括所谓的垂直外部腔表面发射激光器(VECSEL)。在下文中，仅仅为了简单起见，缩写词VCSEL用于这两种类型的激光器。 
利用基于n-p-i-n掺杂半导体材料的外延叠层的光电二极管，所提出的器件的设计允许对于VCSEL阴极和光电二极管阳极使用在光电二极管的第一n掺杂区处实现为欧姆n接触的公共电极。因此，对于该器件的电接触仅需要一个p接触，从而降低了制造复杂性。由于不需要光电二极管的附加(第一)n掺杂层以实现厚间隔层的功能，因而形成整个器件的外延叠层可以比现有技术的叠层制造得更薄。与现有 技术解决方案相比，所有这一切导致制造成本和制造时间以及制造复杂性的降低。 
所提出的器件的光电二极管集成到VCSEL的DBR之一中。 
利用其中激光阈值电流小于激光工作电流的30％的激光器设计，实现了最佳的结果。此外，应当根据光电二极管的设计适当地选择光电二极管的偏压，例如选择为至少大约0.4V。光电二极管应当被设计成使得在低偏压(例如0.4V)下，本征区完全耗尽，或者至少充分地耗尽，从而检测器电容足够低，并且检测器响应度对于希望的操作是足够高的。 
所提出的器件的VCSEL具有本领域中已知的设计，其中两个层结构嵌入到有源区中并且形成激光腔的两个端镜。这些端镜为分布式布拉格反射器(DBR)。另一方面，有源区由量子阱结构形成。该VCSEL可以被设计为顶部或底部发射器。 
当把光电二极管的层形成为块层(bulk layer)时，这些块层具有近似2μm的厚度。基于分子束外延(MBE)的500nm/h的典型生长率，这意味着MBI系统要花费超过一个工作日来形成仅仅这些块层。为了降低该制造时间，在所提出器件中，光电二极管基于优选地≤500nm厚的更薄的层，这些层集成到VCSEL的DBR之一中。在所述实施例之一中，这种光电二极管由量子阱结构形成。量子阱仅仅数纳米厚并且可以容易地包含在垂直腔激光发射器件的外延生长中。这同样适用于上面的薄层。这将显著地降低这种器件的外延生长所需的时间。 
由于更薄的层比厚的块材料具有更少的吸收，因而将所提出的具有这种更薄的层或者量子阱的光电二极管集成到VCSEL的DBR之一中。在这种情况下，VCSEL包括第一层结构，该第一层结构包括嵌入到第一DBR与第二DBR之间的有源区，其中光电二极管的第一n掺杂区、p掺杂区、本征区和第二n掺杂区集成到第二DBR中。为此目的，第二DBR由三个部分形成，该三个部分为与有源区相邻的第一n掺杂部分、第二p掺杂部分以及第三n掺杂部分。光电二极管的第一n掺杂区于是由第二DBR的第一n掺杂部分形成。光电二极管的p掺杂区由第二DBR的第二p掺杂部分形成，并且光电二极管的第二n掺杂区由第二DBR的第三n掺杂部分形成。形成吸收层的光电二极管的本征区设置在第二DBR的第二部分与第三部分之间。该第二DBR可以例如是顶部 发射VCSEL的底部DBR。为了将上面的区域集成到第二DBR中，必须在该DBR的相应薄层的掺杂浓度和材料组成方面适应性地调整该DBR的相应薄层以便实现形成光电二极管所需的功能。例如，在850nm处发射的VCSEL的情况下，DBR可以由AlxGa1-xAs层形成，其中x被选择成实现希望的高反射率。在没有集成光电二极管的情况下，Al的量被设置成高于最小值以便避免各层中的光吸收。然而，当集成光电二极管时，降低光电二极管的吸收层中的Al的量，以便实现希望的吸收。 
为了控制由光电二极管检测的自发的光与受激的光之间的关系，仔细地选择光电二极管的吸收量子阱(即本征区)的纵向位置，优选地将其选择成处于或者靠近激光腔中激光辐射的驻波模式的最大值。于是，与自发的发射相比，该光电二极管优越得多地检测受激的发射。 
作为控制或降低光电二极管检测的自发发射的量的另一优选的措施，将一个或多个仔细掺杂的量子阱或者其他薄掺杂层设置在光电二极管的本征区与p掺杂区之间，以便创建优选地集成到第二DBR的p掺杂部分中的光谱滤光器。该光谱滤光器被设计成阻挡或者降低受激发射的波长区域之外的自发发射的通过，使得更少的自发发射到达光电二极管的本征区。 
所提出的光学模块包括至少一个这种发射测量束的垂直腔发射激光器件，该测量束在被物体反射时，重新进入激光腔并且产生由光电二极管测量的自混合效应。这种用于测量距离和/或运动的光学测量模块也包括适当的信号处理电路或者与适当的信号处理电路连接，该信号处理电路基于光电二极管的测量信号计算距离和/或运动。这种光学模块可以嵌入到输入装置中或者嵌入到包括这种输入装置的设备中。其中可以使用该输入装置的设备例如是用于台式计算机的鼠标、笔记本计算机、移动电话、个人数字助理(PDA)和手持式游戏计算机。该模块也可以用在专业测量设备中，以用于测量例如到物体的距离或者物体的运动、液体的运动以及嵌入到液体中的颗粒的运动。通常，本发明可以用在其中可以使用激光自混合效应的任何应用中。 
本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。 
附图说明
下面，通过实例并参照附图描述所提出的垂直腔表面发射激光器件，这没有限制权利要求限定的保护范围。附图示出： 
图1垂直腔表面发射激光器件的示意图； 
图2所提出的器件的第一实施例的示意图；以及 
图3所提出的器件的第二实施例的示意图。 
具体实施方式
图1为垂直腔表面发射激光器件的示例性设计的示意图。该图示出了设置在形成光电二极管2的层序列的顶部上的VCSEL结构1。该顶部发射VCSEL包括包含嵌入到下面的DBR 3与上面的DBR 4之间的有源区5的层结构。上面的DBR 4是p掺杂的，下面的DBR 3是n掺杂的。在这种顶部发射VCSEL中，形成上面的DBR以便其是部分透射的，例如对于有源区5中产生的激光辐射具有98％的反射率，从而使得它能够作为外耦合镜而工作。上面的DBR和下面的DBR典型地由交替的高低折射率GaAs(高折射率)和AlAs(低折射率)层组成。GaAs层具有低的Al％，在下文中称为AlxGa1-xAs层，从而材料带隙高于光子能量。下面的DBR被设计成对于产生的激光辐射是高反射的，例如具有≥99％的反射率。然而，激光辐射的小部分也通过下面的DBR，并且可以在设置在VCSEL的该底侧上的光电二极管2中检测到。 
光电二极管2由上面的n掺杂AlxGa1-xAs层6、p掺杂AlxGa1-xAs层7、本征AlxGa1-xAs层8以及底部n掺杂AlxGa1-xAs层9的层序列形成。该设计具有以下优点：VCSEL的阴极和光电二极管2的阳极可以共享公共电极，该公共电极实现为光电二极管的上面的n掺杂AlxGa1-xAs层6的顶部上的欧姆n接触10。形成光电二极管的阴极的另一欧姆n接触11设置在光电二极管的底部n掺杂AlxGa1-xAs层9的底部部分上。进一步所需的欧姆p接触12设置在形成本领域中已知的VCSEL的层结构1的顶部上。因此，对于所述器件仅仅需要一个p接触，这有助于降低制造复杂性。光电二极管的不同层可以具有下面的厚度和掺杂浓度，例如： 
-上面的n掺杂AlxGa1-xAs层6：近似2μm的厚度；掺杂：4.2*1018(1/cm3) 
-p掺杂AlxGa1-xAs层7：近似2μm的厚度；掺杂：2.0*1019(1/cm3) 
-本征AlxGa1-xAs层8：近似2μm的厚度；无掺杂 
-下面的n掺杂AlxGa1-xAs层9：形成衬底的近似650μm的厚度；掺杂：3.1*1018(1/cm3)。 
所述欧姆接触优选地对于p接触由Ti/Pt/Au制成并且对于n接触由Ge/Au/Ni/Au制成。 
图2示出了其中光电二极管由量子阱结构形成的所提出器件的第一实例。在该实例中，光电二极管集成到VCSEL的底部DBR 3a-3c中。顶部DBR 4和有源区以及形成VCSEL阳极的欧姆p接触12以常规的方式设计。底部DBR 3分成三个部分。上面的部分3a是n掺杂的，中间的部分3b是p掺杂的，并且底部部分3c是n掺杂的。在中间的部分3b与底部部分3c之间，设置了吸收量子阱结构14，其形成光电二极管的本征区。利用该设计，所提出器件的n-p-i-n光电二极管的上面的n掺杂区、p掺杂区和下面的n掺杂区由底部DBR的各层形成。上面的n掺杂区由底部DBR的上面的n掺杂部分3a形成。p掺杂区由底部DBR的中间的p掺杂部分形成，并且光电二极管的下面的n掺杂区由底部DBR的n掺杂底部部分3c形成。除了吸收量子阱结构14之外，没有附加的层添加到这种结构的下面的DBR 3以便建立光电二极管。这意味着形成所述器件的外延叠层近似与标准VCSEL一样厚。没有必要为光电二极管生长6μm或者更多的块材料。这降低了制造时间和成本。形成VCSEL的阴极并且同时形成光电二极管的阳极的欧姆n接触设置在下面的DBR 3的上面的n掺杂部分3a处，该上面的n掺杂部分同时代表光电二极管的上面的n掺杂区。整个层结构生长在n掺杂衬底13上，用于光电二极管的阴极的欧姆n接触在底侧处附接到该n掺杂衬底13。 
图3示出了所提出器件的另一实例，其与图2的器件类似地构造。唯一的区别是在底部DBR 3的p掺杂部分、即在该底部DBR的中间的部分3b中形成的附加量子阱或量子阱结构15。吸收量子阱结构14的顶部上的该附加量子阱结构15被设计成过滤从有源区5朝光电二极管的本征区传播的光，使得激光的受激发射能够通过并且强烈地减少受激发射的波长范围之外的波长范围内的自发发射。利用被掺杂以避免吸收的光的重新发射的该附加滤光量子阱结构15，减少了由吸收量子阱14检测到的自发发射的量。 
尽管在所述附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。上面以及权利要求中描述的不同实施例也可以加以组合。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容以及所附权利要求的研究，能够理解并实施所公开实施例的其他变型。例如，使用的VCSEL也可以由其他材料层构成或者可以是本领域中已知的底部发射激光器。此外，所述半导体激光器也可以被设计为垂直扩展腔表面发射激光器(VECSEL)。本发明并不限制叠层中的层的数量。该数量可以针对叠层的所需光学特性适当地加以选择。 
在权利要求中，词语“包括”并没有排除其他的元件或步骤并且不定冠词“一”并没有排除复数。仅仅是在相互不同的从属权利要求中陈述了若干技术手段的事实并不意味着这些技术手段的组合不可以有利地加以利用。权利要求中的附图标记不应当被视为对这些权利要求的范围的限制。 
附图标记列表 
1   VCSEL的层结构 
2   光电二极管的层序列 
3   下面的DBR 
3a  底部DBR的顶部部分 
3b  底部DBR的中间部分 
3c  底部DBR的底部部分 
4   上面的DBR 
5   有源区 
6   上面的n掺杂AlxGa1-xAs层 
7   p掺杂AlxGa1-xAs层 
8   本征AlxGa1-xAs层 
9   下面的n掺杂AlxGa1-xAs层 
10  欧姆n接触 
11  欧姆n接触 
12  欧姆p接触 
13  n掺杂衬底 
14  吸收量子阱 
15  滤光量子阱 

Claims (9)

1.一种垂直腔表面发射激光器件，
包括垂直腔表面发射激光器(1)，其具有被设置成测量所述激光器(1)发射的光的强度的单片集成光电二极管(2)，其中所述光电二极管(2)由半导体材料的第一n掺杂区(6)、p掺杂区(7)、本征区(8，14)和第二n掺杂区(9)的层序列形成，
所述光电二极管(2)和所述激光器(1)共享在所述第一n掺杂区(6)处实现为欧姆n接触(10)的公共电极，并且
所述垂直腔表面发射激光器件包括第一层结构，该第一层结构包括嵌入到第一DBR(4)与第二DBR(3)之间的有源区(5)，所述光电二极管(2)的所述第一n掺杂区(6)、所述p掺杂区(7)、所述本征区(14)和所述第二n掺杂区(9)集成到所述第二DBR(3)中，
其中所述光电二极管(2)的所述第一n掺杂区(6)由所述第二DBR的第一n掺杂部分(3a)形成，所述光电二极管(2)的所述p掺杂区(7)由所述第二DBR的第二p掺杂部分(3b)形成，并且所述光电二极管(2)的所述第二n掺杂区(9)由所述第二DBR的第三n掺杂部分(3c)形成，所述光电二极管(2)的所述本征区(14)设置在所述第二DBR的所述第二部分(3b)与第三部分(3c)之间。
2.一种垂直腔表面发射激光器件，
包括垂直腔表面发射激光器(1)，其具有被设置成测量所述激光器(1)发射的光的强度的单片集成光电二极管(2)，其中所述光电二极管(2)由半导体材料的第一p掺杂区、n掺杂区、本征区和第二p掺杂区的层序列形成，
所述光电二极管(2)和所述激光器(1)共享在所述第一p掺杂区处实现为欧姆p接触的公共电极，并且
所述垂直腔表面发射激光器件包括第一层结构，该第一层结构包括嵌入到第一DBR(4)与第二DBR(3)之间的有源区(5)，所述光电二极管(2)的所述第一p掺杂区、所述n掺杂区、所述本征区和所述第二p掺杂区集成到所述第二DBR(3)中，
其中所述光电二极管(2)的所述第一p掺杂区由所述第二DBR的第一p掺杂部分形成，所述光电二极管(2)的所述n掺杂区由所述第二DBR的第二n掺杂部分形成，并且所述光电二极管(2)的所述第二p掺杂区由所述第二DBR的第三p掺杂部分形成，所述光电二极管(2)的所述本征区设置在所述第二DBR的所述第二部分与第三部分之间。
3.依照权利要求1的激光器件，
其中所述公共电极形成激光器(1)的阴极和光电二极管(2)的阳极。
4.依照权利要求2的激光器件，
其中所述公共电极形成激光器(1)的阳极和光电二极管(2)的阴极。
5.依照权利要求1的激光器件，
其中在所述本征区(14)与所述p掺杂区(7)之间形成光谱滤光层(15)，所述滤光层(15)被设计成减少能够传播到本征区(14)的自发发射的光的量。
6.依照权利要求2的激光器件，
其中在所述本征区与所述n掺杂区之间形成光谱滤光层，所述滤光层被设计成减少能够传播到本征区的自发发射的光的量。
7.依照权利要求1或2的激光器件，
其中所述光电二极管(2)由量子阱结构形成。
8.依照权利要求1或2的激光器件，
其中所述本征区(14)设置在其中所述激光器(1)中谐振的光波的驻波模式具有最大值的位置。
9.用于测量距离和/或运动的光学传感器模块，包括至少一个依照权利要求1或2的激光器件，所述激光器件发射测量束，该测量束在被物体反射时，重新进入激光腔并且产生由所述光电二极管(2)测量的自混合效应。
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