CN105914581A - 面发光型半导体激光器和面发光型半导体激光器阵列 - Google Patents

面发光型半导体激光器和面发光型半导体激光器阵列 Download PDF

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Abstract

本发明涉及面发光型半导体激光器和面发光型半导体激光器阵列。面发光型半导体激光器包括：基板；第一半导体多层膜反射器，其叠置在基板上；活性区域，其叠置在第一半导体多层膜反射器上或者叠置在第一半导体多层膜反射器上方；第二半导体多层膜反射器，其叠置在活性层上或者叠置在活性层上方；腔室延伸区域，其介于第一半导体多层膜反射器与活性区域之间或者介于第二半导体多层膜反射器与活性区域之间；以及载流子块层，其介于腔室延伸区域与活性区域之间。载流子块层包括第一载流子块层和第二载流子块层。

Description

面发光型半导体激光器和面发光型半导体激光器阵列
技术领域
本发明涉及一种面发光型半导体激光器、面发光型半导体激光器阵列、面发光型半导体激光器装置、光传输装置以及信息处理装置。
背景技术
面发光型半导体激光器是能够在垂直于基板的方向上发射激光束的发光装置，因此易于形成在二维阵列中。因而，面发光型半导体激光器已经越来越多地用作打印机、图像形成设备、光学通信等的光源。
已经研究了一种方法，在该方法中在基横模和更高横模之间具有损失差，以便在单横模和单纵模下操作面发光型半导体激光器。一种研究公开了一种具有大腔室长度(即，下和上多层膜反射器之间的长度)的面发光型半导体激光器，即，长腔室面发光型半导体激光器(见未审查的日本专利申请公开2005-129960和2009-152553)。长腔室面发光型半导体激光器在更高横模中引起衍射损失，从而在基横模中增加光输出。
需要考虑的是，在长腔室面发光型半导体激光器的活性层的附近形成具有大带隙的单个载流子块层可以降低载流子从活性层渗漏的风险，从而增加光视效率。但是，在这种情况下，如果载流子块层的厚度较大，那么装置的电阻可以变得过高。另一方面，为了限制装置的电阻而降低载流子块层的厚度会增加载流子的穿透，这不能够在足够的程度上降低载流子从活性层渗漏的风险。
本发明的目的是提供一种长腔室面发光型半导体激光器，相比于形成单个载流子块层的情形，其能够易于降低装置的电阻和载流子渗漏的风险。
发明内容
根据本发明的第一方案，提供了一种面发光型半导体激光器，其包括：基板；第一半导体多层膜反射器，其叠置在基板上，第一半导体多层膜反射器包括由具有高折射指数的高折射指数层以及具有低折射指数的低折射指数层构成的交替对；活性区域，其叠置在第一半导体多层膜反射器上或者叠置在第一半导体多层膜反射器上方；第二半导体多层膜反射器，其叠置在活性层上或者叠置在活性层上方，第二半导体多层膜反射器包括由具有高折射指数的高折射指数层以及具有低折射指数的低折射指数层构成的交替对；腔室延伸区域，其介于第一半导体多层膜反射器和活性区域之间或者介于第二半导体多层膜反射器和活性区域之间，腔室延伸区域具有的光学厚度大于振荡波长，腔室延伸区域能够使腔室长度增加；以及载流子块层，其介于腔室延伸区域和活性区域之间，载流子块层包括第一载流子块层和第二载流子块层，第一和第二载流子块层具有比活性区域和腔室延伸区域更大的带隙，第一载流子块层具有比第二载流子块层更大的带隙。
根据本发明的第二方案，面发光型半导体激光器进一步包括具有比第一载流子块层更大厚度的含铝电流约束层，第一载流子块层中的铝含量等于或者高于电流约束层中的铝含量。
根据本发明的第三方案，第二载流子块层具有的厚度比第一载流子块层大。
根据本发明的第四方案，第一载流子块层具有的杂质浓度比第二载流子块层高。
根据本发明的第五方案，提供了一种面发光型半导体激光器，其包括：基板；第一半导体多层膜反射器，其叠置在基板上，第一半导体多层膜反射器包括由具有高折射指数的高折射指数层以及具有低折射指数的低折射指数层构成的交替对；活性区域，其叠置在第一半导体多层膜反射器上或者叠置在第一半导体多层膜反射器上方；第二半导体多层膜反射器，其叠置在活性层上或者叠置在活性层上方，第二半导体多层膜反射器包括具有高折射指数的高折射指数层以及具有低折射指数的低折射指数层的交替对；腔室延伸区域，其介于第一半导体多层膜反射器和活性区域之间或者介于第二半导体多层膜反射器和活性区域之间，腔室延伸区域具有的光学厚度大于振荡波长，腔室延伸区域能够使腔室长度增加；以及载流子块层，其介于腔室延伸区域和活性区域之间，载流子块层包括第一载流子块层和第二载流子块层，第一和第二载流子块层具有比活性区域和腔室延伸区域大的带隙，第一载流子块层具有比第二载流子块层高的载流子浓度。
根据本发明的第六方案，第一载流子块层位于驻波的光强度低于驻波的最大光强度的一半的区域内，驻波形成在第一半导体多层膜反射器和第二半导体多层膜反射器之间。
根据本发明的第七方案，第一载流子块层位于形成在第一半导体多层膜反射器和第二半导体多层膜反射器之间的驻波的节点处。
根据本发明的第八方案，第二载流子块层介于活性区域和第一载流子块层之间，并且第二载流子块层和活性区域之间的边界位于驻波的光强度高于驻波的最大光强度的一半的区域内，驻波形成在第一半导体多层膜反射器和第二半导体多层膜反射器之间。
根据本发明的第九方案，第二载流子块层介于活性区域和第一载流子块层之间，并且第二载流子块层和活性区域之间的边界位于形成在第一半导体多层膜反射器和第二半导体多层膜反射器之间的驻波的波腹处。
根据本发明的第十方案，第二载流子块层介于第一载流子块层和活性区域之间以及介于第一载流子块层和腔室延伸区域之间，并且活性区域侧的第二载流子块层和活性区域之间的边界以及第二载流子块层的腔室延伸区域侧和腔室延伸区域之间的边界均位于驻波的光强度高于驻波的最大光强度的一半的区域内，驻波形成在第一半导体多层膜反射器和第二半导体多层膜反射器之间。
根据本发明的第十一方案，第二载流子块层介于第一载流子块层和活性区域之间以及介于第一载流子块层和腔室延伸区域之间，并且活性区域侧的第二载流子块层和活性区域之间的边界以及第二载流子块层的腔室延伸区域侧和腔室延伸区域之间的边界均位于形成在第一半导体多层膜反射器和第二半导体多层膜反射器之间的驻波的波腹处。
根据本发明的第十二方案，圆柱结构形成在基板之上，圆柱结构包括电流约束层和载流子块层，并且电流约束层和载流子块层在氧化步骤中从圆柱结构的侧表面暴露。
根据本发明的第十三方案，提供了包括多个上述面发光型半导体激光器的面发光型半导体激光器阵列。
根据本发明的第十四方案，提供了面发光型半导体激光器装置，其包括：上述面发光型半导体激光器；以及光学构件，由面发光型半导体激光器发射的光进入该光学构件。
根据本发明的第十五方案，提供了光传输装置，其包括：上述面发光型半导体激光器装置；以及传输单元，其经由光学介质传输由面发光型半导体激光器装置发射的激光束。
根据本发明的第十六方案，提供了信息处理装置，其包括：上述面发光型半导体激光器；聚光单元，其将由面发光型半导体激光器发射的激光束聚集到记录介质上；以及利用由聚光单元聚集的激光束来扫描记录介质的机构。
根据本发明的第一和第五方案的面发光型半导体激光器能够使装置的电阻以及载流子渗漏的风险相比于形成单个载流子块层的情形而易于降低。
根据本发明的第二方案的面发光型半导体激光器能够使第一载流子块层的带隙增加并且降低第一载流子块层的氧化。
根据本发明的第三方案的面发光型半导体激光器降低载流子从活性区域至腔室延伸区域的穿透。
相比于第一载流子块层具有的杂质浓度不高于第二载流子块层的情形，根据本发明的第四方案的面发光型半导体激光器能够使第一载流子块层的带隙增加。
相比于第一载流子块层位于驻波的光强度高于驻波的最大光强度的一半的区域内的情形，根据本发明的第六方案的面发光型半导体激光器能够使由第一载流子块层吸收的光的量降低。
相比于第一载流子块层不位于驻波的波腹处的情形，根据本发明的第七方案的面发光型半导体激光器能够使由第一载流子块层吸收的光的量降低。
相比于第二载流子块层和活性区域之间的边界位于驻波的光强度低于驻波的最大光强度的一半的区域内的情形，根据本发明的第八方案的面发光型半导体激光器能够使共振易于实现。
相比于第二载流子块层和活性区域之间的边界位于驻波的节点处的情形，根据本发明的第九方案的面发光型半导体激光器能够使共振易于实现。
相比于活性区域侧的第二载流子块层和活性区域之间的边界以及第二载流子块层的腔室延伸区域侧和腔室延伸区域之间的边界均位于驻波的光强度低于驻波的最大光强度的一半的区域内的情形，根据本发明的第十方案的面发光型半导体激光器能够使共振易于实现。
相比于活性区域侧的第二载流子块层和活性区域之间的边界以及第二载流子块层的腔室延伸区域侧和腔室延伸区域之间的边界均位于驻波的节点处的情形，根据本发明的第十一方案的面发光型半导体激光器能够使共振易于实现。
根据本发明的第十二方案的面发光型半导体激光器能够使电流约束层从圆柱结构的侧表面选择性地氧化。
根据本发明的第十三方案的面发光型半导体激光器阵列增加在高温度操作中阵列的光视效率。
附图说明
基于以下附图将详细描述本发明的示范实施例，其中：
图1A是图示出λ腔室面发光型半导体激光器的单纵模的图形，其中竖轴代表反射率，横轴代表波长；
图1B是图示出长腔室面发光型半导体激光器的多纵模的图形；
图2是根据本发明的第一示范实施例的长腔室面发光型半导体激光器的示意剖视图；
图3A和图3B图示了覆盖活性区域以及载流子块层的区域的传导带结构，其中图3A图示了根据比较例子的带结构，图3B图示了根据第一示范实施例的带结构；
图4图示了载流子块层的带结构和驻波之间的关系；
图5和图6图示了根据本发明的第二示范实施例的载流子块层以及驻波之间的关系；
图7是根据本发明第三示范实施例的长腔室面发光型半导体激光器的示意剖视图；
图8A和图8B是面发光型半导体激光器装置的示意剖视图，其包括根据本发明示范实施例的面发光型半导体激光器和光学构件；
图9图示了根据本发明的示范实施例的包括面发光型半导体激光器的光源装置的例子；以及
图10是包括图示于图8A中的面发光型半导体激光器装置的光传输装置的示意剖视图。
具体实施方式
下文参考附图描述本发明的示范实施例。面发光型半导体激光器(即，垂直腔室面发光型激光器，下文缩写为“VCSEL”)已经用作通信装置或者图像形成装置的光源。为了在未来进一步增加打印速度等，对单模、高光输出VCSEL有需求。为了使用相关领域的氧化约束类型结构实现单模(即，基横模)操作，需要设定氧化孔口的直径为2至3μm。但是，设定氧化孔口的直径为2至3μm使得难以均匀地实现3mW或更大的单模光输出。设定氧化孔口的直径大于2至3μm能够实现高光输出，但是会不利地发生多模式(即，更高横模)振荡。因而，很期望长腔室VCSEL作为这样的技术：通过增加氧化孔口的直径同时维持单模操作来增加光输出。
在长腔室VCSEL中，为了增加腔室的长度，厚度几倍至几十倍于振荡波长λ的间隔件层介于普通λ腔室VCSEL的发光区域与λ腔室VCSEL的一个半导体多层膜反射器(即，DBR)之间，从而增加更高横模中的损失量。结果，甚至当氧化孔口的直径设定为大于普通λ腔室VCSEL的直径时，也能够实现单模振荡。图1A图示的普通λ腔室VCSEL在单纵模下操作，因为它们具有大纵模间隔(即，自由光谱范围)。相反，由于腔室的延伸，长腔室VCSEL具有小纵模间隔，并且如图1B图示，多纵模(即，驻波)存在于腔室的内部。长腔室VCSEL在从多纵模所选择的纵模中操作。换句话说，多个振荡波长存在于具有97％或更大反射率的反射带宽中。本发明涉及这种具有多纵模的长腔室VCSEL。
作为例子，下文描述了选择性氧化类型长腔室VCSEL。应该注意的是，附图放大示出以更易于看到本发明的特征，附图图示的装置的尺寸并不始终与实际装置的尺寸相同。
示范实施例
图2是根据本发明的第一示范实施例的长腔室VCSEL的示意剖视图。如图2所示，根据第一示范实施例的VCSEL10包括：n型GaAs(砷化镓)基板100；n型下分布式布拉格反射器102(下文，缩写为“DBR”)，其叠置在n型GaAs基板100上方，下DBR102包括由具有不同铝含量的AlGaAs层构成的交替对；腔室延伸区域104，其形成在下DBR102上，腔室延伸区域104能够使腔室的长度增加；n型载流子块层105，其叠置在腔室延伸区域104上；活性区域106，其形成在载流子块层105上，活性区域106包括上间隔件层以及下间隔件层以及介于它们之间的量子阱层；以及p型上DBR108，其叠置在活性区域106上，上DBR108包括由具有不同铝含量的AlGaAs层构成的交替对。这些叠置在基板上以及叠置在基板上方的半导体层是通过顺序外延生长而被沉积的。
n型下DBR102是包括由Al0.9Ga0.1As层和Al0.3Ga0.7As层构成的对的多层主体。Al0.9Ga0.1As层和Al0.3Ga0.7As层的厚度均被设定为λ/4nr，其中λ代表振荡波长，而nr代表介质的折射指数。下DBR102包括由Al0.9Ga0.1As和Al0.3Ga0.7As构成的交替层的40个周期。下DBR102掺杂有硅，硅用作n型杂质，使得下DBR102中载流子浓度为例如3×1018cm-3。
腔室延伸区域104由AlGaAs、GaAs或者AlAs组成，它们的晶格常数等于或者匹配GaAs基板的晶格常数。在第一示范实施例中，例如，为了发射780nm的激光束，腔室延伸区域104由不引起光吸收的AlGaAs组成。腔室延伸区域105例如是由顺序外延生长所形成的整层，并且具有几倍至几十倍于振荡波长的光学厚度，这增加了载流子行进的距离。因而，腔室延伸区域104可以设定为n型，其中载流子的活动性较高，因此介于n型下DBR102和活性区域106之间。腔室延伸区域104的厚度设定为例如大约3至4μm，或者在光学厚度方面设定为大约16λ。腔室延伸区域104中的n型掺杂水平设定为例如5×1017。上述腔室延伸区域104还可以称为“腔室空间”。
载流子块层105介于腔室延伸区域104和活性区域106之间。载流子块层105的带隙设定为大于腔室延伸区域104和活性区域106的带隙。增加由载流子块层105创建的障壁的高度可降低载流子从活性区域106渗漏至腔室延伸区域104的风险，从而使活性区域的内部进入“富载流子”状态，这增加了光视效率。在第一示范实施例中，载流子块层105由两个子层构成，即，第一载流子块层105A和第二载流子块层105B。第一载流子块层105A由n型AlAs或者AlGaAs组成。第二载流子块层105B由n型AlGaAs组成。下文详细描述载流子块层。
构成活性区域106的下间隔件层是纯的Al0.6Ga0.4As层。构成活性区域10的量子阱活性层6包括纯的Al0.11Ga0.89As量子阱子层以及纯的Al0.3Ga0.7As障壁子层。构成活性区域106的上间隔件层是纯的Al0.6Ga0.4As层。
p型上DBR108是包括p型Al0.9Ga0.1As层以及Al0.4Ga0.6As层的多层主体。Al0.9Ga0.1As层和Al0.4Ga0.6As层的厚度均被设定为λ/4nr。上DBR108包括由Al0.9Ga0.1As以及Al0.4Ga0.6As构成的交替层的29个周期。上DBR108掺杂有碳，碳用作p型杂质，使得在上DBR108中载流子浓度为例如3×1018cm-3。由p型GaAs等组成的接触层形成为上DBR108的顶部层。由p型AlAs或者AlGaAs组成的电流约束层(即，氧化物约束层)110形成为上DBR108的底部层或者形成在底部层的内部。
例如，通过移除上述半导体层的一部分，在基板100上方形成柱形台面(即，圆柱结构)M，柱形台面M通过刻蚀从上DBR108延伸至下DBR102。在氧化步骤中，电流约束层110和载流子块层105暴露在台面M的侧表面上。电流约束层110选择性地从台面M的侧表面氧化。结果，氧化区域110A和由氧化区域110A围绕的导电区域(即，氧化孔口)110B形成在电流约束层110中。在氧化步骤中，AlAs层的氧化率高于AlGaAs层的氧化率，并且氧化区域110A从台面M的侧表面朝向氧化区域110A的内部以大致恒定速率氧化。因而，平行于基板的导电区域110B的截面形状与台面M的外侧形状一致，也即是圆形形状，而导电区域110B的中心大致对准台面M的光学轴线。在长腔室VCSEL10中，能够将用于实现基横模振荡所需的导电区域110B的直径设定为大于普通λ腔室VCSEL的直径。例如，导电区域110B的直径能够增加至大约7至8μm，这能够使光输出增加。
通过沉积Ti/Au等形成的圆形金属p侧电极112布置在台面M的顶部层上。p侧电极112连接至构成上DBR108的接触层以便欧姆接触于接触层。圆形发光窗口112A形成在p侧电极112中，使得发光窗口112A的中心对准台面M的光学轴线。激光束向外发射通过窗口112A。n侧电极114布置在基板100的后表面上。
下文详细描述根据第一示范实施例的载流子块层。在不具有长腔室结构的普通VCSEL中，因为DBR具有载流子约束效应，所以不需要形成载流子块层。另一方面，因为腔室延伸区域中的铝含量不足够高，所以在长腔室VCSEL中没有载流子块层就会导致较差载流子约束效应。图3A和图3B图示了覆盖活性区域和载流子块层的区域的传导带结构，其中图3A图示了根据比较例子的带结构，而图3B图示了根据第一示范实施例的带结构。
如上所述，活性区域106包括量子阱活性层106A和下间隔件层106B以及上间隔件层(未示出于附图)，量子阱活性层106A介于它们之间。量子阱活性层106A包括纯的Al0.10Ga0.90As量子阱子层QW以及纯的Al0.3Ga0.7As障壁子层BR，量子阱子层QW介于它们之间。下间隔件层106B是铝含量在30％到40％之间变化的纯AlGaAs层。腔室延伸区域104由n型Al0.40Ga0.60As组成。在比较例子中，由n型Al0.90Ga0.10As组成的载流子块层CB介于下间隔件层106B和腔室延伸区域104之间。具有大带隙的载流子块层CB降低了载流子从活性区域106渗漏至腔室延伸区域104的风险。但是，尤其，通过热能量激发的一些载流子在高温度操作期间会泄漏超出由载流子块层CB创建的障壁。
根据第一示范实施例的载流子块层105包括邻近下间隔件层106B的第一载流子块层105A以及邻近第一载流子块层105A的第二载流子块层105B。第一和第二载流子块层105A和105B的带隙设定为大于活性区域106和腔室延伸区域104的带隙。第一载流子块层105A的带隙设定为大于第二载流子块层105B的带隙。换句话说，当第一载流子块层105A由AlxGa1-xAs组成而第二载流子块层105B由AlyGa1-yAs组成时，满足关系x>y。第一载流子块层105A的带隙越大，抵抗载流子的障壁越高。因此，第一载流子块层105A中的铝含量设定为例如是0.9<x≤1。第一载流子块层105A中的n型掺杂水平设定为例如是1×1018。
第一载流子块层105A中的铝含量越高，带隙越大。但是，当第一载流子块层105A中的铝含量等于或者高于电流约束层110中的铝含量时，第一载流子块层105A会不利地被氧化至与在氧化电流约束层110的步骤中电流约束层被氧化的程度相当的程度。如果第一载流子块层105A被氧化得超过所需的程度，会不利地增加电阻。
含铝层中的氧化速率取决于含铝层的厚度，还取决于含铝层中的铝含量。具体地，含铝层的厚度越大，含铝层中的氧化速率越高。如果第一载流子块层105A具有比电流约束层110大的厚度，在最坏情况下，整个第一载流子块层105A被氧化并且其不可能传递电流通过第一载流子块层105A。因此，当第一载流子块层中的铝含量105A等于或者高于电流约束层110中的铝含量时，为了降低第一载流子块层105A中的氧化速率，第一载流子块层105A的厚度可以设定为小于电流约束层110的厚度，从而最小化第一载流子块层105A中的氧化区域的面积。因为在普通VCSEL中电流约束层110的厚度设定为例如是20至30nm，所以第一载流子块层105A的厚度设定为15nm或者更少(例如，大约10nm)，也即，例如是电流约束层110的厚度的一半或者更少。
降低第一载流子块层105A的厚度导致降低氧化速率。但是，第一载流子块层105A过小的厚度会导致限制在活性区域106内的载流子穿透(即，穿隧)至第一载流子块层105A。当第一载流子块层105A的厚度例如是10nm或者更少时，可以发生载流子的穿透。当第一载流子块层105A的厚度为几纳米时，载流子的穿透更易于发生。为了防止发生载流子的穿透，第二载流子块层105B布置在邻近第一载流子块层105A处。由AlyGa1-yAs组成的第二载流子块层105B具有比第一载流子块层105A低的铝含量。第二载流子块层105B中的铝含量设定为，例如0.9≤y<x。第二载流子块层105B具有比第一载流子块层105A大的厚度。第一和第二载流子块层105A和105B的总厚度设定为使得载流子不能穿透第一和第二载流子块层105A和105B。但是，铝含量越高，晶体质量恶化的风险越高。因而，第二载流子块层105B的厚度设定为使得第一和第二载流子块层105A和105B的总厚度为大约50nm。第二载流子块层105B中的掺杂水平设定为低于第一载流子块层105A中的掺杂水平，也即例如是5×1017。
在第一示范实施例中，将载流子块层分隔为两个子层以如下方式降低了载流子渗漏的风险。形成具有较大带隙的第一载流子块层105A从而增加由第一载流子块层105A创建的障壁的高度，这降低了限制在活性区域106(用作发光层)内的载流子甚至在高温度操作期间当由热能量激发载流子时行进而超出由第一载流子块层105A创建的障壁的风险。此外，具有大厚度的第二载流子块层105B降低载流子穿透(即，穿隧)的风险，在第一载流子块层105A的厚度设定为较小时可能发生这种风险。这增加了活性区域106的光视效率，尤其在高温度操作下。将载流子块层分隔为两个子层还允许独立控制载流子块层中的最大带隙和载流子块层的厚度。相比于形成单个载流子块层(其不由第一和第二载流子块层构成)的情形，这使得更易于降低装置的电阻和载流子渗漏的风险。
在第一示范实施例中，作为例子描述了包括具有不连续带隙的两个子层105A和105B的载流子块层105的情形。但是，载流子块层105的结构并不限于此。载流子块层105包括至少上述两个子层105A和105B，并且可以进一步包括额外层。在上述第一和第二载流子块层105A和105B中铝含量的范围(即，0.9<x≤1，0.9≤y<x)仅是例子，在第一和第二载流子块层105A和105B中铝含量可以设定在该范围之外。
下文描述本发明的第二示范实施例。在第二示范实施例中，通过优化高掺杂的载流子块层的位置改善了激光器特性。图4图示了载流子块层的带结构和光强度的分配之间的关系。增加第一载流子块层105A中的掺杂水平(即，杂质浓度)引起带结构向上偏移，并且进一步增加障壁的高度，这降低了载流子渗漏的风险。因而，第一载流子块层105A可以以高于第二载流子块层105B掺杂的水平进行掺杂。例如，第一和第二载流子块层105A和105B中的掺杂水平分别设定为1×1018和5×1017。驻波形成在下DBR102和上DBR108之间的腔室内。驻波的波腹(即，对应于奇数倍λ/4的点)处的光强度高于驻波的节点(即，对应于偶数倍λ/4的点)处的光强度。如果具有高铝含量以及高掺杂水平的第一载流子块层105A位于如图4图示的驻波的波腹处，则由第一载流子块层105A吸收的光量增加，这恶化了激光器特性。
图5图示了根据第二示范实施例用于优化高掺杂的第一载流子块层的位置的第一方法。调节第一载流子块层105A的位置使得第一载流子块层105A位于如图5图示的驻波的节点处。换句话说，驻波的节点位于第一载流子块层105A内。因为光强度在节点比在波腹处低，所以由具有高杂质浓度的第一载流子块层105A吸收的光量比在第一载流子块层105A位于驻波的波腹处的情形中要小，这改善了激光器特性。第一载流子块层105A能够例如通过控制构成活性区域106的下间隔件层106B的厚度而位于驻波的节点处。第一载流子块层105A可以位于除了驻波的波腹之外的任何位置。也即，第一载流子块层105A不是必须位于驻波的节点处。例如，第一载流子块层105A可以位于驻波的波腹和节点之间。第一载流子块层105A不是必须位于驻波的节点处，而是可以位于与驻波的一半最大光强度或者驻波的大约一半最大光强度对应的点与驻波的节点之间的任何位置。换句话说，第一载流子块层105A位于驻波的光强度低于驻波的一半最大光强度的区域内。
图6图示了根据第二示范实施例用于优化高掺杂的第一载流子块层的位置的第二方法。在第二方法中，如图6所示，第一载流子块层105A位于驻波的节点处，并且与第一方法相反，第一载流子块层105A形成在第二载流子块层105B的内侧。也即，第一载流子块层105A介于第二载流子块层105B的活性区域侧部分以及第二载流子块层105B的腔室延伸区域-104侧部分之间。在第二方法中，与第一方法一样，构成活性区域106的下间隔件层106B的厚度不改变。因此，活性区域106的光学厚度等于振荡波长λ或者振荡波长λ的整数倍，并且下间隔件层106B与第二载流子块层105B之间的边界(即，折射指数改变的边界)位于驻波的波腹处。这使得易于在振荡波长下实现共振。下间隔件层106B和第二载流子块层105B之间的边界可以从驻波的波腹偏置，以便位于与驻波的一半最大光强度或者驻波的大约一半最大光强度对应的点与驻波的波腹之间。换句话说，下间隔件层106B和第二载流子块层105B之间的边界可以位于驻波的光强度高于驻波的一半最大光强度的区域内。当边界位于与驻波的一半最大光强度或者驻波的大约一半最大光强度对应的点与驻波的波腹之间时，相比于边界位于与驻波的一半最大光强度或者驻波的大约一半最大光强度对应的点与驻波的节点之间的情形，变得易于在振荡波长下实现共振。在图6中，下间隔件层106B与第二载流子块层105B之间的边界不是必须位于驻波的波腹处，而是可以位于与驻波的一半最大光强度或者驻波的大约一半最大光强度对应的点与驻波的波腹之间的任何位置处。第一载流子块层105A可以位于除了驻波的波腹之外的任何位置处。也即，第一载流子块层105A不是必须位于驻波的节点处。例如，第一载流子块层105A可以位于驻波的波腹与节点之间。第一载流子块层105A不是必须位于驻波的节点处，而是可以位于与驻波的一半最大光强度或者驻波的大约一半最大光强度对应的点与驻波的节点之间的任何位置处。在图6中，可以省略第二载流子块层105B的腔室延伸区域104侧部分。当形成第二载流子块层105B的腔室延伸区域-104侧部分时，其被布置为使得腔室延伸区域104和第二载流子块层105B的腔室延伸区域104侧部分之间的边界位于与驻波的一半最大光强度或者驻波的大约一半最大光强度对应的点与驻波的波腹之间。相比于边界位于与驻波的一半最大光强度或者驻波的大约一半最大光强度对应的点与驻波的节点之间的情形，这使得易于在振荡波长下实现共振。将边界定位在驻波的波腹处进一步使得易于在振荡波长下实现共振。在第二示范实施例中，当第一载流子块层105A由AlxGa1-xAs组成而第二载流子块层105B由AlyGa1-yAs组成时，不必与第一示范实施例中一样满足关系x>y。可以确定x和y的值，使得第一和第二载流子块层105A和105B不被氧化至与氧化物约束层被氧化的程度相当的程度。通过以上述方式形成第一和第二载流子块层105A和105B，第一和第二载流子块层105A和105B的电阻不会变得像氧化物约束层的电阻一样高。此外，第一载流子块层105A中的杂质浓度设定成高于第二载流子块层105B中的杂质浓度，这引起带结构向上偏移并且增加障壁高度，这降低了载流子渗漏的风险。
下文描述第三本发明示范实施例。图7是根据第三示范实施例的长腔室VCSEL10A的示意剖视图。在第三示范实施例中，p型下DBR102叠置在p型GaAs基板100上。构成下DBR102(邻近活性区域106)的较低折射指数层或者较低折射指数层的一部分被替换为电流约束层110。n型载流子块层105叠置在活性区域106上。n型腔室延伸区域104叠置在载流子块层105上。n型上DBR108叠置在腔室延伸区域104上。p侧电极112布置在基板100的后表面上。n侧电极114布置在上DBR108的顶部上。圆形发射窗口114A形成在n侧电极114中。在第三示范实施例中，台面M可以通过执行刻蚀直到下DBR102的一部分被移除而形成，而电流约束层110从台面M的侧表面暴露。
上文详细描述了本发明的示范实施例。本发明不通过具体示范实施例限制，在权利要求描述的本发明的范围内可以进行各种修改以及改变。
尽管在上述示范实施例中下DBR102和上DBR108由AlGaAs组成，但是由较高折射指数层以及较低折射指数层构成的对可以由除了AlGaAs之外的半导体材料组成。例如，当振荡波长设定为较大时，DBR可以由GaAs组成；较高折射指数层可以由GaAs组成，而较低折射指数层可以由AlGaAs组成。
尽管在上述示范实施例中作为例子描述了选择氧化类型长腔室VCSEL，但是绝缘区域可以由执行质子离子的喷射形成而不是选择性地氧化。在这种情况下，可以省略在基板上方台面的形成。
尽管在上述示范实施例中从台面的顶部发射激光束，但是可以省略台面的形成，并且激光束可以从基板的后表面发射。在这种情况下，下DBR102的反射率设定为低于上DBR108的反射率，并且发射窗口形成在n侧电极114中。
尽管在上述示范实施例中n侧电极114布置在基板的后表面上，但是可以布置n侧电极114使得直接连接至下DBR102。在这种情况下，基板100可以由半绝缘材料组成。
根据需要，缓冲器层可以可选地介于GaAs基板100和下DBR102之间。尽管在上述示范实施例中作为例子描述了GaAs基VCSEL，但是上述示范实施例还可以应用于包括除GaAs之外的GroupIII-V半导体的其他类型长腔室VCSEL。尽管在上述示范实施例中作为例子描述了单点VCSEL，但是上述示范实施例还可以应用于多点VCSEL，其包括布置在基板上的若干台面(即，发光部分)以及VCSEL阵列。尤其，根据上述示范实施例的载流子块层的结构可以以有效的方式应用于在高温度下操作的多点VCSEL。
接下来，参考附图描述根据本发明示范实施例包括长腔室VCSEL的面发光型半导体激光器装置、光学信息处理装置以及光传输装置。图8A是封装VCSEL和光学构件的面发光型半导体激光器装置的剖视图。在面发光型半导体激光器装置300中，包括布置在其上的长腔室VCSEL的芯片310利用导电粘着剂320固定至盘状金属杆部330。导电引线340和342插入形成在杆部330中的通孔(未图示于附图)。引线340电连接至VCSEL的n侧电极，而引线342电连接至VCSEL的p侧电极。
矩形中空帽350固定至包括芯片310的杆部330。用作光学构件的球透镜360固定在开口352的内部，开口352形成在帽350的中心处。球透镜360的光学轴线定位成使得大致对准芯片310的中心。当正向电压施加在引线340和342之间时，芯片310在竖直方向上发射激光束。控制芯片310和球透镜360之间的距离，使得球透镜360定位在与由芯片310发射的激光束的发散角θ对应的区域内。可选地，为了监控VCSEL的发光状态，光电探测器或者温度传感器可以布置在帽的内部。
图8B图示了另一面发光型半导体激光器装置的结构。图示于图8B的面发光型半导体激光器装置302包括扁平玻璃362而不是球透镜360。扁平玻璃362固定在形成在帽350的中心处的开口352的内部。扁平玻璃362定位成使得扁平玻璃362的中心大致对准芯片310的中心。控制芯片310与扁平玻璃362之间的距离，使得扁平玻璃362的开口的直径完全覆盖与由芯片310发射的激光束的发散角θ对应的区域。
图9图示了包括用作光源的VCSEL的光学信息处理装置的例子。光学信息处理装置370包括：如图8A或者图8B所示的面发光型半导体激光器装置300或者302，其包括装入其中的长腔室VCSEL；准直仪透镜372，由面发光型半导体激光器装置300或者302发射的激光束进入准直仪透镜372；多面镜374，其以恒定速度旋转并且以特定发散角反射通过准直仪透镜372的一束光束；fθ透镜376，由多面镜374反射的激光束进入该fθ透镜，并且能够使反射镜面378辐照激光束；线性反射镜面378；感光鼓(即，记录介质)380，基于由反射镜面378反射的光，在感光鼓380上形成潜像。根据本发明的示范实施例的VCSEL可以用作光学信息处理装置的光源，光学信息处理装置诸如复印机或者打印机，包括光学系统和机构，该光学系统将由VCSEL发射的激光束聚集到感光鼓上，该机构利用聚集的激光束来扫描感光鼓。
图10是包括图示于图8A的面发光型半导体激光器装置的光传输装置的剖视图。光传输装置400包括：杆部330；柱形壳体410，其固定至杆部330；套筒420，其一体地形成在壳体410的端部处；套圈430，其保持在形成于套筒420中的开口422的内部；以及光学纤维440，其由套圈430保持。凸缘332在周向方向上形成在杆部330上。壳体410的另一端部固定至凸缘332。套圈430精确地定位在套筒420的开口422的内部，从而光学纤维440的光学轴线对准球透镜360的光学轴线。光学纤维440的芯线保持在形成于套圈430中的通孔432的内部。
从芯片310的表面发射的激光束被球透镜360聚集，聚集的光进入光学纤维440的芯线从而被传输。虽然在上述例子中使用了球透镜360，但是除了球透镜还可以使用其他透镜，诸如双凸面透镜以及平凸透镜。光传输装置400可选地包括在引线340和342之间施加电信号的驱动电路。光传输装置400可选地包括经由光学纤维440接收光学信号的接收单元。
为了示意和描述的目的已经提供了本发明的示范实施例的前述说明。其并不旨在详尽的或者并不旨在限制本发明为公开的精确形式。显而易见，对本领域技术人员来说，许多修改和变型将很明显。选择并描述了一些实施例以最好地解释本发明的原理以及其实践应用，从而能够使本领域其他人员理解本发明的各种实施例，并且各种修改可以适合于想到的特定使用。本发明的范围由以下权利要求以及它们的等同结构限定。

Claims (16)

1.一种面发光型半导体激光器，该面发光型半导体激光器包括：
基板；
第一半导体多层膜反射器，该第一半导体多层膜反射器叠置在所述基板上，所述第一半导体多层膜反射器包括由具有高折射指数的高折射指数层以及具有低折射指数的低折射指数层构成的交替对；
活性区域，该活性区域叠置在所述第一半导体多层膜反射器上或者叠置在所述第一半导体多层膜反射器上方；
第二半导体多层膜反射器，该第二半导体多层膜反射器叠置在所述活性层上或者叠置在所述活性层上方，所述第二半导体多层膜反射器包括由具有高折射指数的高折射指数层以及具有低折射指数的低折射指数层构成的交替对；
腔室延伸区域，该腔室延伸区域介于所述第一半导体多层膜反射器与所述活性区域之间或者介于所述第二半导体多层膜反射器与所述活性区域之间，所述腔室延伸区域具有的光学厚度大于振荡波长，所述腔室延伸区域能够使腔室长度增加；以及
载流子块层，该载流子块层介于所述腔室延伸区域与所述活性区域之间，所述载流子块层包括第一载流子块层和第二载流子块层，所述第一载流子块层和第二载流子块层具有比所述活性区域和所述腔室延伸区域大的带隙，所述第一载流子块层具有比所述第二载流子块层大的带隙。
2.根据权利要求1所述的面发光型半导体激光器，进一步包括：
含铝的电流约束层，该含铝的电流约束层具有比所述第一载流子块层大的厚度，其中，所述第一载流子块层中的铝含量等于或者高于所述电流约束层中的铝含量。
3.根据权利要求1或2所述的面发光型半导体激光器，
其中，所述第二载流子块层具有比所述第一载流子块层大的厚度。
4.根据权利要求1或2所述的面发光型半导体激光器，
其中，所述第一载流子块层具有比所述第二载流子块层高的杂质浓度。
5.一种面发光型半导体激光器，包括：
基板；
第一半导体多层膜反射器，该第一半导体多层膜反射器叠置在所述基板上，所述第一半导体多层膜反射器包括由具有高折射指数的高折射指数层以及具有低折射指数的低折射指数层构成的交替对；
活性区域，该活性区域叠置在所述第一半导体多层膜反射器上或者叠置在所述第一半导体多层膜反射器上方；
第二半导体多层膜反射器，该第二半导体多层膜反射器叠置在所述活性层上或者叠置在所述活性层上方，所述第二半导体多层膜反射器包括由具有高折射指数的高折射指数层以及具有低折射指数的低折射指数层构成的交替对；
腔室延伸区域，该腔室延伸区域介于所述第一半导体多层膜反射器与所述活性区域之间或者介于所述第二半导体多层膜反射器与所述活性区域之间，所述腔室延伸区域具有的光学厚度大于振荡波长，所述腔室延伸区域能够使腔室长度增加；以及
载流子块层，该载流子块层介于所述腔室延伸区域与所述活性区域之间，所述载流子块层包括第一载流子块层和第二载流子块层，所述第一载流子块层和第二载流子块层具有比所述活性区域和所述腔室延伸区域大的带隙，所述第一载流子块层具有比所述第二载流子块层高的载流子浓度。
6.根据权利要求5所述的面发光型半导体激光器，
其中，所述第一载流子块层位于驻波的光强度低于所述驻波的最大光强度的一半的区域内，所述驻波形成在所述第一半导体多层膜反射器与所述第二半导体多层膜反射器之间。
7.根据权利要求5所述的面发光型半导体激光器，
其中，所述第一载流子块层位于形成在所述第一半导体多层膜反射器与所述第二半导体多层膜反射器之间的驻波的节点处。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的面发光型半导体激光器，
其中，所述第二载流子块层介于所述活性区域与所述第一载流子块层之间，并且
其中，所述第二载流子块层与所述活性区域之间的边界位于驻波的光强度高于所述驻波的最大光强度的一半的区域内，所述驻波形成在所述第一半导体多层膜反射器与所述第二半导体多层膜反射器之间。
9.根据权利要求5至7中任一项所述的面发光型半导体激光器，
其中，所述第二载流子块层介于所述活性区域与所述第一载流子块层之间，并且
其中，所述第二载流子块层与所述活性区域之间的边界位于形成在所述第一半导体多层膜反射器与所述第二半导体多层膜反射器之间的驻波的波腹处。
10.根据权利要求6或7所述的面发光型半导体激光器，
其中，所述第二载流子块层介于所述第一载流子块层与所述活性区域之间并且介于所述第一载流子块层与所述腔室延伸区域之间，并且
其中，活性区域侧的第二载流子块层与所述活性区域之间的边界以及所述第二载流子块层的腔室延伸区域侧与所述腔室延伸区域之间的边界均位于驻波的光强度高于所述驻波的最大光强度的一半的区域内，所述驻波形成在所述第一半导体多层膜反射器与所述第二半导体多层膜反射器之间。
11.根据权利要求6或7所述的面发光型半导体激光器，
其中，所述第二载流子块层介于所述第一载流子块层与所述活性区域之间并且介于所述第一载流子块层与所述腔室延伸区域之间，以及
其中，活性区域侧的第二载流子块层与所述活性区域之间的边界以及所述第二载流子块层的腔室延伸区域侧与所述腔室延伸区域之间的边界均位于形成在所述第一半导体多层膜反射器与所述第二半导体多层膜反射器之间的所述驻波的波腹处。
12.根据权利要求1或2所述的面发光型半导体激光器，
其中，一圆柱结构形成在所述基板上方，所述圆柱结构包括所述电流约束层和所述载流子块层，并且
其中，所述电流约束层和所述载流子块层在氧化步骤中从所述圆柱结构的侧表面暴露。
13.一种面发光型半导体激光器阵列，该面发光型半导体激光器阵列包括多个根据权利要求1至7中任一项所述的面发光型半导体激光器。
14.一种面发光型半导体激光器装置，该面发光型半导体激光器装置包括：
根据权利要求1至8中任一项所述的面发光型半导体激光器；以及
光学构件，由所述面发光型半导体激光器发射的光进入所述光学构件。
15.一种光传输装置，该光传输装置包括：
根据权利要求14所述的面发光型半导体激光器装置；以及
传输单元，该传输单元经由光学介质传输由所述面发光型半导体激光器装置发射的激光束。
16.一种信息处理装置，该信息处理装置包括：
根据权利要求1至12中任一项所述的面发光型半导体激光器；
聚光单元，该聚光单元将由所述面发光型半导体激光器发射的激光束聚集到记录介质上；以及
利用由所述聚光单元聚集的激光束来扫描所述记录介质的机构。
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