CN104488148B - 具有腔内接触件的vcsel - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由具有腔内接触件的至少一个VCSEL（15）形成的激光器器件。VCSEL包括具有在第一DBR（4）与第二DBR（10）之间的有源区（6）、在第一DBR（4）与有源区（6）之间的第一导电类型的第一电流注入层（5）、以及在第二DBR（10）与有源区（6）之间的第二导电类型的第二电流注入层（8）的层结构（18）。第一和第二电流注入层（5,8）分别与第一和第二金属接触件（11,12）接触。第一和/或第二DBR（4,10）由交替的含氧化铝和含Al(x)Ga(1‑x)As的层形成。该VCSEL的所提出的设计允许这样的激光器的增加的效率和较低的生产成本，因为顶部和底部DBR可以以大大减小的厚度形成。

Description

具有腔内接触件的VCSEL
技术领域
本发明涉及由具有腔内接触件的至少一个垂直腔表面发射激光器（VCSEL）形成的激光器器件，所述VCSEL包括具有在第一分布式布拉格反射器（DBR）与第二分布式布拉格反射器之间的有源区、在第一分布式布拉格反射器与有源区之间的第一导电类型的第一电流注入层、以及在第二分布式布拉格反射器与有源区之间的第二导电类型的第二电流注入层的层结构，所述第一和第二电流注入层分别与第一和第二金属接触件接触。
背景技术
在商业上可用的现有技术VCSEL遭受过低的功率转换效率使得难以与高功率激光棒竞争。
尽管用于VCSEL阵列的生产成本相对低，但是每输出功率的部分成本处于与常规光源的紧张竞争中。
US 2011/0086452 A1提出一种具有腔内接触件的VCSEL以改善激光器的效率。腔内接触件的提供允许实现具有未掺杂层结构的顶部和底部DBR镜从而最小化这些镜中的自由载流子吸收和俘获有关吸收。吸收损失的这种降低增加激光器的效率。掺杂电流注入层布置在DBR与有源区之间并且通过适当布置的金属接触件接触。电流注入层的掺杂在激光器的光轴的方向上变化以形成较低掺杂区或无掺杂区之间的若干高度掺杂区。较高掺杂区布置在激光谐振器中振荡的激光辐射的定驻（standing）电场的最小值中。这降低由电流注入层的掺杂所引起的光学吸收损失。顶部和底部DBR由交替的GaAs和AlGaAs层形成。可替换地，提出交替的GaAs和AlAs层。
发明内容
本发明的目的是提供具有腔内接触件的VCSEL，其允许进一步改善的效率并且可以以低成本制造。
该目的利用一种激光器器件实现，所述激光器器件由具有腔内接触件的至少一个垂直腔表面发射激光器形成。所述垂直腔表面发射激光器包括具有在第一分布式布拉格反射器与第二分布式布拉格反射器之间的有源区、在第一分布式布拉格反射器与有源区之间的第一导电类型的第一电流注入层、以及在第二分布式布拉格反射器与有源区之间的第二导电类型的第二电流注入层的外延层结构，外延层结构已经通过进行掩蔽和蚀刻以用于金属接触件的应用和用于氧化而结构化，其中垂直腔表面发射激光器还包括电流孔，所述第一和第二电流注入层分别与第一和第二金属接触件接触，并且所述第一和/或第二分布式布拉格反射器由交替的氧化铝层和Al(x)Ga(1-x)As层形成，其中0 ≤ x ≤ 0.3。激光器器件的发光区域被来自已经通过干法蚀刻穿过外延层结构的所有外延层而形成的至少两个侧面的氧化所包围，其中第一和第二金属接触件布置在所述垂直腔表面发射激光器中的每一个的相对侧上，其中存在外延层结构的至少一个非蚀刻条以将电荷载流子从第一和第二金属接触件的接触区域传递到发光区域，并且其中每一个非蚀刻条的宽度等于或小于电流孔的氧化宽度的两倍。该激光器器件的有利实施例在描述和优选实施例的随后部分中描述。
所提出的激光器器件由具有腔内接触件的至少一个VCSEL形成。VCSEL包括具有在第一DBR和第二DBR之间的有源区、在第一DBR和有源区之间的第一导电类型的第一电流注入层、以及在第二DBR和有源区之间的第二导电类型的第二电流注入层的外延层结构。第一和第二电流注入层分别与第一和第二金属接触件接触，以便允许电流通过两个电流注入层注入到有源区中。垂直腔表面发射激光器还包括电流孔。所提出的VCSEL的第一和/或第二DBR由交替的氧化铝层和Al(x)Ga(1-x)As层形成，其中0 ≤ x ≤ 0.3。第一和第二金属接触件布置在所述垂直腔表面发射激光器中的每一个的相对侧上，其中存在外延层结构的至少一个非蚀刻条以将电荷载流子从第一和第二金属接触件的接触区域传递到激光器器件的发光区域。至少一个非蚀刻条的宽度等于或小于电流孔的氧化宽度的两倍。
可替换的激光器器件由具有仅一个腔内接触件的至少一个垂直腔表面发射激光器形成。该垂直腔表面发射激光器包括具有在半导体衬底上的下部镜和上部镜之间的有源区，并且具有在上部镜和有源区之间的电流注入层的层结构。电流注入层与金属接触件接触。上部镜是在下文中也被称为第二DBR的分布式布拉格反射器，其由交替的含氧化铝和含Al(x)Ga(1-x)As的层形成，其中0 ≤ x ≤ 0.3。下部镜（即布置成较靠近半导体衬底的镜）由导电半导体材料形成并且因而形成用于有源区的第二接触件。
形成VCSEL的激光腔的端镜的第一和/或第二DBR的这种设计与腔内接触件结合允许吸收损失的进一步降低以及因而激光效率中的增加。由于（多个）DBR的含氧化铝和以上的含Al(x)Ga(1-x)As的层的折射率的高差异，已经可以利用数目小于10的层对实现具有例如99.9%的高反射率的镜，相比之下例如具有交替的GaAs和AlAs层的DBR要求数目为近似30的层对来实现这样的高反射。所提出的VCSEL的（多个）DBR因而可以以显著降低的厚度（其使材料安全）和生产成本来实现并且由于减小的厚度而展现出降低的光学损失。氧化铝层可以通过氧化交替的AlAs和GaAs层的层结构来形成。氧化过程可以在与电流孔层的氧化相同的步骤中执行，该电流孔层优选地也在一个电流注入层与有源区之间提供于所提出的VCSEL中。由于优选地由AlAs制成的电流孔层和用于DBR的层结构的AlAs层的不同厚度，可以实现DBR AlAs层的完全氧化同时电流孔层仅被氧化成实现期望的电流孔。代替AlAs层，也可以使用具有x ≈ 0.98的Al(x)Ga(1-x)As层。电流孔的氧化速率也可以附加地通过在层中包括其它材料的部分以便降低氧化速率来调节。
用于所提出的VCSEL的层结构优选地外延生长在比如GaAs衬底的适当衬底上。外延生长的层序列随后通过适当掩蔽和蚀刻过程来结构化以便能够应用用于电流注入层的金属接触件并且允许通过氧化过程氧化以上层。技术人员从VCSEL制造领域得知适当的掩蔽、蚀刻和剥离过程。这同样适用于针对电流注入层的掺杂过程，特别是针对电流注入层的周期性变化的掺杂。这样的过程例如也从以上美国专利申请以及本文所引述的另外的文档得知。
由于在两个DBR根据以上设计形成的情形中的氧化物层的缘故，所提出的VCSEL可以在衬底上容易地串联连接。DBR中的氧化物层允许应用比没有这样的氧化物层的常规VCSEL更高的电压并且也可以串联连接以使得能够实现以230V的电位差（tension）的串联连接的VCSEL的操作。用于电流注入层的金属接触件布置在每一个VCSEL的相对侧上使得邻近VCSEL的面对的接触件可以容易地彼此电气连接以形成串联连接。以上提及的相对侧不是DBR的侧面，而是关于VCSEL的光轴的横向侧。
在其中所提出的VCSEL并排布置的另一实施例中，特别地形成至少两个接触垫的金属化结构被应用在该VCSEL阵列的一侧上。接触件或焊接垫和到VCSEL的金属接触件的对应金属连接被实现为足够厚的结构以在没有任何支撑衬底的情况下提供该VCSEL阵列的机械稳定。其上生长各个VCSEL层结构的衬底因而可以在VCSEL的制造之后被剥离。在该实施例中，面对衬底的DBR被设计为出耦合镜，而相对的DBR被设计成提供最高反射率（底发射式VCSEL）。这样的VCSEL布置可以实现为SMD式封装（SMD：表面安装器件），使得这些器件可以像现有技术的其它SMD部件一样被操纵和安装。这不要求任何另外的封装步骤，因为以上器件已经可以在晶片级上直接被尺寸调节和设计成期望的大小。衬底的移除具有另外的优势：这样的VCSEL阵列仅包括极其小量的禁用物质（砷化物），因而满足有助于使环境安全和减少污染的要求。
所提出的VCSEL设计允许外延层厚度和外延设计中的复杂性相比于现有技术VCSEL的显著降低。DBR镜中的较低吸收损失导致激光器的增加的效率。用于所提出的VCSEL的外延设计良好地适合于利用MBE反应器（MBE：分子束外延）来生长为硬质界面并且几乎不需要渐变层。
附图说明
在下文中通过示例的方式结合附图来描述所提出的VCSEL而不限制如权利要求所限定的保护范围。各图示出：
图1 用来形成所提出的VCSEL的外延层结构的示例；
图2 处理图1的层结构以形成所提出的VCSEL的不同步骤的示例；
图3 所提出的VCSEL的布局的示例的顶视图；
图4 所提出的VCSEL在单个单片式芯片上的串联连接的示例；以及
图5 根据本发明的VCSEL阵列的SMD式封装的示例的顶、侧和底视图。
具体实施方式
图1示意性地示出用于形成所提出的VCSEL以作为顶部发射器的外延层结构的示例。外延层设计以GaAs衬底1上的AlAs/Al(x)Ga(1-x)As层（0 ≤ x ≤ 0.3）的对开始。在将AlAs层2从AlAs转换为氧化铝之后，AlAs层2与例如GaAs层3的Al(x)Ga(1-x)As层的组合给出具有高反射率的高对比度DBR。对于短波长VCSEL，GaAs层应当通过一些AlGaAs层来交换以避免镜中的基本吸收。为了实现高反射率，在该示例中使用八对AlAs/GaAs层。
在该底部DBR 4的顶部上布置形成n电流注入层5的Si掺杂间隔物区。掺杂分布（profile）在垂直于层和衬底1的VCSEL的光轴的方向上周期性地变化。变化使得较高掺杂浓度位于在VCSEL腔中谐振的光学辐射的驻波图样的电场的最小值中。在n电流注入层5的顶部上由几个量子阱形成有源区6，这类似于常规VCSEL设计。接着氧化薄AlAs层7并且形成电流/光学模式孔。这也类似于常规VCSEL。C掺杂间隔物层布置在AlAs层7的顶部上以使横向p型电荷载流子注入到有源区6中。该间隔物层形成VCSEL的p电流注入层8。为了避免光学损失，该层的重掺杂仅应用在驻波图样的节点中。这导致具有仅近似10nm厚度的薄区的周期性结构，所述薄区是高度掺杂的，即具有以≥ 1*1020 cm-3的C原子的掺杂浓度。其余材料保持未掺杂或仅具有非常少量的掺杂。在p电流注入层8的最上面的高度掺杂区的顶部上，由30个AlAs单层形成薄蚀刻停止层9。需要这来在处理期间可以接近p电流注入层8的最上面的高度掺杂区以便制作电气（金属）接触件。外延层以几对（通常3或4对）AlAs/GaAs层为结束，其在处理的结尾处的氧化步骤之后形成顶部DBR 10，即顶发射式VCSEL的本示例中的VCSEL的出耦合镜。外延层序列的总体厚度仅为近似3μm。p电流注入层的高度掺杂区中的掺杂浓度在1*1019和1*1021 cm-3之间，在n电流注入层中为1*1018和4*1018 cm-3之间。
处理图1的该层序列以便得到形成所提出的VCSEL的期望层结构。不同工艺步骤在图2a至2i中示意性地指示。典型地，通过结构化在整个晶片之上延伸的根据图1的对应外延层序列来在晶片级上制造大数目的VCSEL。
在处理中，应用抗蚀剂19以保护各个VCSEL的出耦合镜（顶部DBR 10）将位于其中的区域（图2a）。然后，执行每一个单独层的选择性湿法蚀刻步骤直到蚀刻停止层9（图2b）以便允许将金属接触件应用到p电流注入层8的上部区。应用用于p接触件剥离的抗蚀剂20（图2c）并且执行p接触件蒸发和剥离，从而导致用于各个VCSEL的期望的金属p接触件11（图2d）。在图2中，仅示出这些VCSEL中的一个。
应用用于湿法蚀刻到n掺杂电流注入层5中并且用于n接触件剥离的抗蚀剂掩模21（图2e）。接着该步骤的是n接触件蒸发和剥离，以便应用用于电气接触n电流注入层5的所要求的n接触件12（图2f）。
在该步骤之后，用于干法蚀刻的抗蚀剂22被应用到结构（图2g）。图2g至2i示出垂直于图2a至2f中所示的截面的层序列的截面。抗蚀剂限定在其中蚀刻整个层序列直到衬底1的区。该设计被选择成使得电流孔的期望形式可以在氧化步骤中实现。在另一方面，连接有源区与n和p接触件的层结构的部分必须足够薄以允许该部分中的DBR AlAs层2的完全氧化。在应用抗蚀剂之后，通过所有外延层执行干法蚀刻，使得要被氧化的所有AlAs层2,7现在刚好暴露于外部（图2h）。在随后的氧化过程中，DBR镜中的AlAs层2和用于电流孔的AlAs层7所有都被氧化（图2i）。由于电流孔的AlAs层7仅为近似20 nm厚并且DBR的AlAs层2 >100 nm厚，因而电流孔的氧化速率小于DBR中的AlAs的氧化速率，期望的电流孔24可以利用氧化步骤实现而DBR的AlAs层2在相同步骤中全部氧化，从而导致期望的氧化铝层23。在高温下的氧化步骤期间，n接触件12成为合金并且因而在n侧上的n接触件12与n电流注入层5之间实现低欧姆接触。
VCSEL现在准备好用于晶片上表征。如果芯片应当成为产品，则将需要添加钝化、键合垫工艺、晶片减薄和划片。这相当类似于常规VCSEL制造并且因而此处不进一步描述。
图3示出如上文所述那样处理的这样的VCSEL 15的示例性布局（顶视图）。虚线指示在图2g至2i中示出的截面的线。在该布局中，发光区域13被来自四侧的氧化包围。这四侧由通过所有外延层的干法蚀刻过程来提供。如以上已经描述的，执行该蚀刻以允许实现期望的电流孔。例如，在圆形电流孔的情形中，蚀刻之后从所有侧到激光器的光轴的距离近似相等。图3还示出布置在VCSEL的相对侧上的p接触件11和n接触件12。存在外延层结构的四个非蚀刻条14以将载流子从接触区域传递到激光器的中心区。为了避免漏电流，条的宽度不应当大于氧化宽度的两倍，如图中所示。对于技术人员显而易见的是，该设计仅是用于这样的VCSEL的一种可能性。代替用于VCSEL的n或p接触件与中心区之间的连接的两个条，也可以实现一个或多于两个的这样的条。
在典型操作条件中，每一个单个VCSEL具有近似2V。为了利用230V操作VCSEL器件，必须为布局提供与230V相容的串联的230/2个VCSEL。这样的器件的制造过程可以与以上已经针对单个VCSEL描述的类似。现在每一个单独VCSEL的阴极需要与对应邻近VCSEL的阳极连接。由于阴极不是通过所提出的设计中的公共半导体层连接的，因而可以通过仅适配布局来实现串联连接，如图4中所示。该图示出在单个单片式芯片（未示出）内串联连接的若干个VCSEL 15。在该布局中，VCSEL的阴极面对每一行中的邻近VCSEL的阳极或者与其重叠。相应地，邻近行然后也与它们的接触件连接以便实现该示例中115个单个VCSEL的总体串联。
显而易见的是，所提出的VCSEL也可以实现为底部发射器。在这样的配置中，每一个VCSEL可以更靠近热沉或者至少更靠近具有比GaAs衬底更小的热阻的材料来定位。所有接触件可以从外延侧接入，即从生长在GaAs衬底上的外延层序列的最上面的层的侧面接入。这意味着一组钝化和金属化步骤可以被用来将阳极和阴极接触件分离到VCSEL阵列的左/右侧。在该示例中具有100μm的厚度并且形成阳极和阴极的厚铜镀层16连同厚钝化过程（例如SU8抗蚀剂）一起可以被用来确保VCSEL阵列内的机械稳定性。底部发射器借助于湿法化学外延剥离技术从GaAs衬底分离，为此这仅通过在底部DBR和衬底之间具有再多一个氧化铝层就是可能的。最终的VCSEL阵列在图5中示出。在图5a的顶视图中（外延侧），可以识别用于阳极和阴极的钝化层17和铜镀层16。该示例中的整个芯片具有1 mm x 2 mm的尺寸和近似100μm的厚度，并且因而可用作SMD器件。
厚钝化层17和厚铜镀层16也在图5b的侧视图中示出在薄VCSEL层结构18的顶部上。在图5c的底视图中，在衬底的外延剥离之后，示出层结构18的底侧上的视图，其包含通过底侧处的平面GaAs层进行发射的数千个并排VCSEL（未示出）。少于10%的这样的芯片由砷化合物形成，这改善了这样的VCSEL器件的环境安全性。
虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过对附图、公开内容和随附权利要求的研究，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能被用来获益。所有器件权利要求的特征可以自由地组合。权利要求中的任何参考标记不应解释为限制本发明的范围。
参考标记列表
1 GaAs衬底
2 DBR的AlAs层
3 DBR的GaAs层
4 底部DBR
5 n电流注入层
6 有源区
7 用于电流孔的AlAs层
8 p电流注入层
9 蚀刻停止层
10 顶部DBR
11 p接触件
12 n接触件
13 发光区域
14 非蚀刻条
15 VCSEL
16 铜镀层
17 钝化层
18 VCSEL层结构
19 抗蚀剂
20 用于p接触件剥离的抗蚀剂
21 抗蚀剂掩模
22 用于干法蚀刻的抗蚀剂
23 DBR的氧化铝层
24 电流孔

Claims (9)

1.一种由具有腔内接触件的至少一个垂直腔表面发射激光器（15）形成的激光器器件，
所述垂直腔表面发射激光器（15）包括具有在第一分布式布拉格反射器（4）与第二分布式布拉格反射器（10）之间的有源区（6）、在第一分布式布拉格反射器（4）与有源区（6）之间的第一导电类型的第一电流注入层（5）、以及在第二分布式布拉格反射器（10）与有源区（6）之间的第二导电类型的第二电流注入层（8）的外延层结构，
外延层结构已经通过进行掩蔽和蚀刻以用于金属接触件（11,12）的应用和用于氧化而结构化，其中
垂直腔表面发射激光器（15）还包括电流孔（24），
所述第一和第二电流注入层（5,8）分别与第一和第二金属接触件（11,12）接触，
并且所述第一和/或第二分布式布拉格反射器（4,10）由交替的氧化铝层和Al(x)Ga(1-x)As层形成，其中0 ≤ x ≤ 0.3，
其特征在于
激光器器件的发光区域（13）被来自已经通过干法蚀刻穿过外延层结构的所有外延层而形成的至少两个侧面的氧化所包围，
其中第一和第二金属接触件（11,12）布置在所述垂直腔表面发射激光器（15）中的每一个的相对侧上，其中存在外延层结构的至少一个非蚀刻条（14）以将电荷载流子从第一和第二金属接触件（11,12）的接触区域传递到发光区域（13），并且其中每一个非蚀刻条（14）的宽度等于或小于电流孔（24）的氧化宽度的两倍。
2.根据权利要求1的激光器器件，
其中所述第一电流注入层（5）是n掺杂半导体层并且所述第二电流注入层（8）是p掺杂半导体层。
3.根据权利要求1的激光器器件，
其中所述第一和/或第二电流注入层（5,8）的掺杂浓度在激光器的光轴的方向上变化以形成较低掺杂区或无掺杂区之间的第一导电类型的若干个较高掺杂区，所述较高掺杂区布置于在激光器操作期间形成于第一和第二分布式布拉格反射器（4,10）之间的定驻电场的最小值中。
4.根据权利要求1的激光器器件，
其中所述外延层结构布置在衬底（1）上。
5.根据权利要求4的激光器器件，
其中所述垂直腔表面发射激光器（15）中的若干个并排布置在衬底（1）上并且在所述衬底（1）上串联电气连接。
6.根据权利要求5的激光器器件，
其中所述激光器的至少分组被布置成使得所述分组的激光器的第一金属接触件（11）面对所述分组的邻近激光器的第二金属接触件（12）。
7.根据权利要求1的激光器，
其中所述垂直腔表面发射激光器（15）中的若干个并排布置并且电气连接到被应用在与激光器的出耦合侧相对的侧面上的金属化结构（16），所述金属化结构（16）被设计成具有适用于在没有衬底的情况下机械支撑激光器的厚度。
8.根据权利要求7的激光器，
其中金属化结构（16）形成用于电气接触激光器的接触垫。
9.根据权利要求1的激光器，
其中所述第一和第二分布式布拉格反射器（4,10）中的一个包括少于10对的氧化铝层和Al(x)Ga(1-x)As层，所述第一和第二分布式布拉格反射器（4,10）中的另一个包括少于5对的氧化铝层和Al(x)Ga(1-x)As层。
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