CN1141524A - 短波长垂直腔表面发射激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种短波长垂直腔表面发射激光器(101)。衬底(102)具有一个表面(103)，衬底(102)是由镓砷磷构成的。形成了一个覆盖在衬底(102)的第一表面(103)上的第一反射堆(106)。第一覆盖区(107)是通过覆盖在第一反射堆(106)上形成的。激发区(108)是覆盖在第一覆盖区(107)上形成的。第二覆盖区(109)是覆盖在激发区(108)上形成的。第二反射堆(110)是覆盖在第二覆盖区(109)上形成的。接触层(126)是覆盖在第二反射堆(110)上形成的。

Description

短波长垂直腔表面发射激光器及其制造方法
本发明涉及光学器件，更具体地说，是涉及垂直腔表面发射激光器(VCSELs)。
传统的激光二极管是边缘发射器件，它发射的是平行于器件的某一个平面的光。此外，传统的激光二极管发出的是长波长的光。由于传统的激光二极管是边缘发射型的，封装问题的存在使之不能大批量生产，因而限制了这一类型传统激光二极管的应用。更进一步说，这种传统的激光二极管发出的是长波长光，需要短波长光的应用就不能用这种传统的激光二极管实现。
近来，人们对一种称为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的新型激光器件的兴趣有所增加，VCSEL的优点是，器件更小，表面是平面，消耗的功率更低，且有更大的加工潜力，可是，尽管VCSEL具有这些优点，但通常它发出的是长波长的光，不能满足像高密度CDROM这一类应用的要求。容易看出，VCSEL的传统制造方法及制品有着严重的局限性，它们不仅复杂、昂贵，而且经不起大批量生产的考验，因此，一种具有高生产能力的发射短波长光的激光器的制造方法及其制品将是人们期望的。
图1所示的是一个简化的垂直腔平面发射激光器的剖视图。
图2是砷化镓衬底和磷化铟衬底上晶格失配(％)及波长(μm)和能带间隙(eV)之间的材料关系曲线。
现在参考图1和图2，图1是简化了的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)101的局部放大剖视图，图2是几种材料特性的图示，即相关材料在砷化镓衬底上的晶格失配(％)、波长(μm)、能带间隙(eV)和磷化铟衬底上的晶格失配的关系图。
VCSEL101被加工成包括几种特征或成分，如：具有表面103的衬底102，具有表面105的渐变层104，具有表面114的伪衬底113，一个分布布喇格反射堆(DBRs)106，覆盖区107，激发区108，覆盖区109，DBRs堆110，含有层体116和118的接触区111，层体120，层体122，导电层124，接触层126，具有表面133的台面或隆起131，具有表面140，141，142和区域144的沟槽136。
可以理解，图1所示的只是衬底102的一部分剖视图，因此能使图1向图面内外延伸，也能横向扩展它。于是，VCSEL101可以代表组成阵列的许多VCSELs中的一个，本专利申请相关的美国专利5,468,558，名称为：制造VCSEL的方法，公布于1995年11月21日，转让给了同一受让人，这被包含在此处的参考资料中。
为了便于理解，下面简单描述一下所用的材料和方法。简单地说，VCSEL101是在，如：砷化镓(GaAs)、铟镓磷(InGa1-xPx)，镓砷磷(GaAs1-xPx)等具有表面103的任何合适的衬底材料102上制作的。这里的衬底是任何适当的体材料或任何适当的支撑材料层。图1示出的衬底102是体材料。
具有表面105的渐变层104是通过淀积法或其它任何适当的外延方法或工艺，如汽相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或者其它类似的方法得到的，渐变层104是由任何适当的材料，如：镓砷磷(GaAsP)等构成的。通常渐变层104被制成易于实现从一种晶格常数向另一种晶格常数的转换。举一个例子，衬底102是砷化镓，其(第一种)晶格常数是5.653，伪衬底113是GaAs.70P.30，其(第二种)晶格常数是5.593，这样，在衬底102和伪衬底113之间就形成了1.1％的失配率(如图2所示)。渐变层104是由GaAs1-xPx构成的，它是用逐渐增加磷的浓度(x)到期望值来外延淀积GaAs1-xPx的办法实现第一种晶格常数和第二种晶格常数之间的转换。在本特例中，磷浓度是30％，对应的砷浓度是70％。此外，渐变层104阻止失配位错和其它缺陷向后续外延层的渗透，因此，所提供的表面105具有低缺陷密度。
总之，任何适当的办法或工艺，像这种分别以0.0-70％的砷浓度和0-30％的磷浓度作动态变化以使一系列膜层具有变化的砷和磷浓度，及其类似的办法可以用于淀积渐变层104，这就提供了从一种材料到另一种材料的晶格桥。渐变层104可以是0.1到50.0μm间任何适当的厚度115，最佳范围是0.5到20μm，标称值是1.0μm，可以理解，如果衬底102是由GaAs1-xPx构成的，渐变层104就是不必要的了，这样DBRs堆106就可以直接做在GaAsP衬底102上。
具有表面114的伪衬底113依次淀积或做在渐变层104上，这就为VCSEL101的随后加工提供了一个材料层。任何适当的外延方法或工艺，如：汽相外延(VPE)，分子束外延(MBE)，金属有机化学汽相淀积(MOCVD)或其它类似的方法都可以使用。在本发明的一个最佳实施例中，使用VPE法在渐变层104上淀积伪衬底113。通常，伪衬底113是由与渐变层104相同的材料构成的，但用的是渐变层104的最终组分，因此，伪衬底113与渐变层104是晶格匹配的。例如，渐变层104从GaAs渐变到GaAs.70P.30，则伪衬底113是由GaAs.70P.30构成的。可以理解，尽管伪衬底113和渐变层104是作为分离的实体描述的，但实际上伪衬底113仍是渐变层104的一个无缝隙延续。此外，砷和磷的浓度值范围可以分别从60％到80％和20％到40％，最佳的范围分别是从65％到75％和25％到35％，相应标称值的数量级分别是70％和30％。伪衬底113可以是任何适当的厚度，取值范围可以是0.1微米或更大一点，更实际地说，厚度117取值范围可以从0.1-50微米，最佳范围从10.0到100.0微米，标称厚度值在50.0μm这一数量级上。如图2所示，有了伪衬底113，一种新异的具有不同晶格常数和提升了的带隙的衬底材料就形成了。这样，伪衬底113提供了实际上具有短波长发射的VCSEL101的制作平台，正如在图2中可以看到的，GaAs.70P.30具有约1.75eV的带隙，所以能发出位于可见光谱区的数量级为0.7μm的短波长光。
一旦伪衬底113已经淀积在衬底102上，几种外延层—包括：DBRs堆106，覆盖区107，激发区108，覆盖区109和DBRs堆110-就一层层地淀积或形成在衬底102上。一般地，这些层体是用诸如：汽相外延(VPE)、分子束外延(MBE)，金属有机化学淀积等任何适当的类似方法或工艺依次形成或淀积在对应层的顶部。
更具体地说，对于DBRs106和110、覆盖层107和109、及激发区108的有关材料，可以理解，任何适当的材料配方都可以用于加工上述的层体。但是，通过选择与由GaAs.70P.30构成的伪衬底113相配的材料，可以制做出发射波长范围是从0.55到0.7μm的VC-SEL101，因此，由VCSEL101提供的光119实际上是波长更短的光。
举例说，用GaAs.70P.30作伪衬底113，激发区108由包括(GaAl)yIn1-yP势垒层和GayIn1-yP量子阱等几个层体构成，不难理解，这里使用了多个量子阱和势垒层。总之，在本例中，为了增加能量转换和提供足够的带隙间断，y值取65％量级，可以理解，这些值的变化取决于具体的应用和材料结构。
覆盖区107和109由铝铟磷(AlyIn1-yP)构成，位于激发区108的两侧并适当掺杂。激发区108中的y值与覆盖区109的类似。
DBRs106和110是由AlyIn1-yP层和(AtGa)yIn1-yP层交替构成的，只是DBR106是n掺杂的，而DBR110是p掺杂的，一般地，以GaAs.70P.30作为伪衬底113，y值是在65％量级。
接触区111包含层体116和118，其中层体116是一种诸如p掺杂的砷化镓外延淀积材料，例如用锌掺杂，层体118是一种欧姆金属材料，如类似于钛、钨等的金属或一种合金材料像钛/钨合金等。
台面131和沟槽136是通过任何适当的工艺过程或工艺过程的组合来形成的，如淀积、光刻、腐蚀等类似工艺。一般来说，层体120是淀积在接触区111上的。层体120是由任何合适的材料构成的，像氮化物、氮氧化物、二氧化硅等等。一个掩膜层加在层体120上。掩膜层是任何适当的光敏材料构成的，如光刻胶、聚酰亚胺等等。掩膜层被做成环形图案，因此，把层体120的一部分曝光并且另一部分盖住。层体120的曝光部分被腐蚀掉或者用任何适当的方法除掉，如干刻蚀法、湿刻蚀法等。一旦层体120的曝光部分被除掉后，接触区111的局部也相继被曝光和腐蚀，从而去除或刻蚀接触区111的已曝光部分。刻蚀一直继续到得到了期望的深度为止，从而使环形图案穿过接触区111并且至少进入到DBRs110以做成台面或隆起131和沟槽136。
掩膜的图形可以用本领域内众所周知的任何适当方法来实现，像光刻蚀法等。此外，可以理解，随着沟槽136刻蚀的继续，如表面140、141、142所示，一个连续表面就形成了。可是，应该知道，工艺参数和设备的变化能产生具有各种几何形状的沟槽136，像方形沟道、U形沟槽、V形沟槽等。在本发明的一个最佳实施例中，沟槽136的刻蚀可以做到穿透DBRs106堆直至衬底102的表面103，沟槽136的刻蚀一直持续到在DBRs110中达到一个距离112为止。距离112定义为从覆盖区109到沟槽136的表面142的距离。典型情况下，距离112可以是任何适当的距离；在本发明的一个最佳实施例中，距离112小于1.0微米，标称距离小于0.1微米。
例如，层体120用氮化物构成，层体118用钛/钨(合金)、层体116用砷化镓、层体120和118在氟基等离子体化学过程中刻蚀，层体116用氯基化学过程刻蚀。
区域144表示一个限流区，它是在DBRs110堆中形成的可选部分，用于VCSEL101的特殊用途。一般地，区域144是用任何适当的方法制成的，像用氢离子、氧离子等任何适当的离子作离子注入，离子破坏了区域144的外延原子堆，从而阻止电流的横向扩散，改善VCSEL101的性能。
一旦台面131和沟槽136适当形成后，任何适当的介电材料，像二氧化硅、氮化物、氮氧化合物等所构成的层体122就淀积在层体120、沟槽136和台面131上。用一种与前面描述过的相类似的掩膜层对层体122作布图，借以把台面131的表面133上方的那部分层体122曝光。一般情况下，掩膜层的构图用于使位于台面131的表面133上方的那部分层体122充分曝光，而沟槽136和层体122的其余部分由掩膜层遮盖并保护起来。层体122和层体120的所有剩余材料就通过任何上述的适当的方法刻蚀掉。于是，层体122和120的去除部分在台面131和台面131的曝光表面133上被曝光。
层体120和122刻蚀完成后，用任何适当的方法—像蒸发、溅射等方法把导电层124淀积或形成在结构体上。导电层是由任何适当的导电材料—像铝、铜、钛、钨等金属或铝/铜、钛/钨等合金构成的。
导电层124淀积后，用溅射、蒸发等任何适当的方法将接触层126形成在导电层124上。接触层126一般是由金属像镍、金、钛、钨等或合金，如钛/钨合金等任何合适的材料构成的，因而这些材料上的镀层具有可选性。然而，在本发明的一个最佳实施例中，是把金材料溅射到导电层124上。
我们已经描述了本发明的特殊实施例，对于熟悉本领域的人可以作进一步的修改和改进。因此，我们期望能够认为，本发明不仅仅限于所述的特殊形式并且我们将在后面的权利要求中概括不超出本发明思路和范围的所有修改情形。
到目前为止，一种新颖的制作短波长VCSEL的方法及制品被提了出来，这种VCSEL发射从0.55到0.7μm的可见光，使VCSEL发出明显比一般在GaAs衬底上制作的器件所发出的更短的波长的光。

Claims (10)

1.短波长垂直腔表面发射激光器的特征在于：
一个镓砷磷衬底，具有一个表面；
第一反射堆形成在镓砷磷衬底的表面上；
第一覆盖区形成在第一反射堆上；
一个激发区形成在第一覆盖区上；
第二覆盖区形成在激发区上；
第二反射堆形成在第二覆盖区上；及
一个接触区形成在第二反射堆上。
2.权利要求1所述的短波长垂直腔表面发射激光器的进一步特征在于镓砷磷衬底所含有的砷浓度范围是60-80％。
3.权利要求1所述的短波长垂直腔表面发射激光器的进一步特征在于镓砷磷衬底所含有的磷浓度范围是20-40％。
4.短波长垂直腔表面发射激光器的特征在于：
一个半导体衬底，具有一个第一表面；
一个镓砷磷层淀积在半导体衬底的表面上；
第一反射堆覆盖在半导体衬底的第一表面上；
第一覆盖区覆盖在第一反射堆上；
一个激发区覆盖在第一覆盖区上；
第二覆盖区覆盖在激发区上；
第二反射堆覆盖在第二覆盖区上；及
一个接触区覆盖在第二反射堆上。
5.制造短波长垂直腔表面发射激光器的方法的特征在于下列步骤：
提供一个具有第一表面的半导体衬底；
在半导体衬底的第一表面上形成一个渐变层；
形成一个覆盖在半导体衬底的第一表面上的第一反射堆；
形成一个覆盖在第一反射堆上的第一覆盖区；
形成一个覆盖在第一覆盖区上的激发区；
形成一个覆盖在激发区上的第二覆盖区；
形成一个覆盖在第二覆盖区上的第二反射堆；及
形成一个覆盖在第二反射堆上的接触区。
6.权利要求5所述的制造短波长垂直腔表面发射激光器的方法中形成渐变层的步骤的进一步特征在于，渐变层含有的磷浓度范围是60-80％。
7.权利要求5所述的制造短波长垂直腔表面发射激光器的方法中形成渐变层的步骤的进一步特征在于，渐变层含有的砷浓度范围是20-40％。
8.权利要求5所述的制造短波长垂直腔表面发射激光器的方法中形成渐变层的步骤的进一步特征在于，渐变层所含有的砷浓度和磷浓度的标称值分别为70％和30％。
9.权利要求5所述的制造短波长垂直腔表面发射激光器的方法中提供一个半导体衬底的步骤的进一步特征在于，所提供的半导体衬底是砷化镓衬底。
10.权利要求5所述的制造短波长垂直腔表面发射激光器的方法中提供一个半导体衬底的步骤的进一步特征在于，所提供的半导体衬底是镓砷磷衬底。
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