CN116057798A - 垂直腔面发射激光器元件及用于制造垂直腔面发射激光器元件的方法 - Google Patents

垂直腔面发射激光器元件及用于制造垂直腔面发射激光器元件的方法 Download PDF

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Abstract

[问题]为了提供一种具有高生产性并且适于高输出的垂直腔面发射激光器元件，以及一种用于制造垂直腔面发射激光器元件的方法。[解决方案]该垂直腔面发射激光器元件包括第一DBR、第二BR、有源层和隧道结层。第一DBR反射特定的波长的光。第二DBR反射该波长的光。有源层布置在第一DBR与第二DBR之间。隧道结层布置在第一DBR与有源层之间，并形成隧道结。第一DBR与第二DBR之间的每一层包括：内周区域，当从垂直于层表面的方向观察时，内周区域在内周侧上；以及外周区域，围绕内周区域。隧道结层的外周区域具有被注入其中的离子，具有比隧道结层的内周区域更低的载流子浓度，并且具有更大的电阻。

Description

垂直腔面发射激光器元件及用于制造垂直腔面发射激光器元件的方法
技术领域
本技术涉及在垂直于层表面的方向上发射激光束的垂直腔面发射激光器元件以及制造垂直腔面发射激光器元件的方法。
背景技术
VCSEL(垂直腔面发射激光器)装置具有有源层夹在一对分布式布拉格反射器(DBR)之间的结构。电流限制结构被布置在有源层的附近，并且电流由于电流限制结构而集中在有源区域中的部分区域中，从而生成自发发射光。DBR包括通过交替堆叠低折射率层和高折射率层而获得的多个层，并且通过将自发发射光中的预定波长的光朝向有源层反射而引起激光振荡。
这里，在包括由InP材料形成的有源层的InP VCSEL装置中，离子注入被用作电流限制结构(例如，专利文献1)。专利文献1公开了一种表面发射激光器装置，其中，质子被注入到由AlGaNAs混合晶体形成的隧道结层的外周区域中，以形成电流限制结构。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请公开第2009-218281号
发明内容
技术问题
然而，在专利文献1中示出的配置中，虽然可以实现电流限制效应，但是由于光吸收的损失发生在注入质子的区域中，这对于实现高输出是不利的并且对于实际使用是不够的。进一步，隐埋隧道结结构也被称为InP VCSEL装置的电流限制结构。埋式隧道结结构需要隧道结的埋式生长工艺，且由于再生长而导致的生产成本的增加是不可避免的。
鉴于上述情况，本技术的目的是提供具有优异的生产性并且适合于高输出的垂直腔面发射激光器元件，以及制造垂直腔面发射激光器元件的方法。
问题的解决方案
为了实现上述目的，根据本技术的实施方式的垂直腔面发射激光器元件包括：第一DBR；第二DBR；有源层；以及隧道结层。
第一DBR反射特定的波长的光。
第二DBR反射该波长的光。
有源层设置在第一DBR与第二DBR之间。
隧道结层位于第一DBR和有源层之间并形成隧道结。
第一DBR和第二DBR之间的各个层具有：从垂直于层表面的方向观察位于内周侧的内周区域；以及围绕内周区域的外周区域，离子被注入到隧道结层的外周区域中，外周区域具有比隧道结层的内周区域更低的载流子浓度和更大的电阻。
根据该配置，通过将离子注入到隧道结层的外周区域中，可以减小外周区域中的载流子浓度并且消除外周区域中的隧道结。结果，外周区域具有比内周区域的电阻更大的电阻，并且电流限制结构由隧道结层形成。由于电流限制结构可以通过注入离子来形成，所以该VCSEL装置具有优异的可生产性。进一步，由于隧道结层的外周区域没有由于晶体破裂而绝缘，因此外周区域中的光吸收小，并且该VCSEL装置适合于高输出。
隧道结层的外周区域的带隙可以大于隧道结层的内周区域的带隙。
隧道结层的外周区域的折射率可以小于隧道结层的内周区域的折射率。
离子可以是O离子。
隧道结层可以由包含至少一层Al的物质形成。
隧道结层的外周区域可以含有Al氧化物。
垂直腔面发射激光器元件可还包括：
第一中间层，第一中间层设置在隧道结层与有源层之间；以及
第二中间层，设置在第二DBR和有源层之间，其中
离子可以是O离子，并且
有源层、第一中间层或第二中间层中的至少一个的外周区域可包含Al氧化物。
第一中间层的外周区域可包含Al氧化物，并且
有源层和第二中间层的每一个的外周区域可以不包含Al氧化物。
第一中间层、有源层和第二中间层的每一个的外周区域可包含Al氧化物。
有源层的外周区域可以包含Al氧化物，并且
第一中间层和第二中间层的每一个的外周区域可不包含Al氧化物。
可以通过堆叠由p+-AlInAs形成的第一层和由n+-AlInAs形成的第二层来形成隧道结层的内周区域，并且
隧道结层的外周区域可以由AlInAs氧化物形成。
可以通过堆叠由p+-AlGaAs形成的第一层和由n+-AlGaAs形成的第二层来形成隧道结层的内周区域，并且
隧道结层的外周区域可以由AlGaAs氧化物形成。
为了实现上述目的，根据本技术的实施方式的制造垂直腔面发射激光器元件的方法包括：
形成堆叠体，堆叠体包括反射特定的波长的光的第一DBR、反射波长的光的第二DBR、设置在第一DBR与第二DBR之间的有源层，以及隧道结层，设置在第一DBR和有源层之间并形成隧道结，第一DBR和第二DBR之间的各个层具有内周区域，当从垂直于层表面的方向观察时，内周区域在内周侧上，以及围绕内周区域的外周区域；以及
将离子注入隧道结层的外周区域，以使隧道结层的外周区域的载流子浓度低于隧道结层的内周区域的载流子浓度，并且使隧道结层的外周区域的电阻大于隧道结层的内周区域的电阻。
隧道结层可以由包含Al的物质形成，以及
将离子注入到隧道结层的外周区域中的步骤可包括将O离子注入到隧道结层的外周区域中。
将离子注入到隧道结层的外周区域中的步骤可以还包括通过注入O离子在隧道结层的外周区域中产生Al氧化物。
堆叠体还可以包括：第一中间层，第一中间层设置在隧道结层与有源层之间；以及第二中间层，第二中间层设置在第二DBR与有源层之间，并且
将离子注入到隧道结层的外周区域中的步骤还可以包括将O离子注入到有源层、第一中间层或第二中间层中的至少一个的外周区域中。
制造垂直腔面发射激光器元件的方法可还包括修复由离子注入引起的晶体缺陷并促进Al氧化物的生成的退火步骤。
附图说明
图1是根据本技术的实施方式的VCSEL装置的截面图。
图2是包括在VCSEL装置中的堆叠体的示意图。
图3是包括在VCSEL装置中的堆叠体的平面图。
图4是单独示出包括在VCSEL装置中的堆叠体的各个层的示意图。
图5是包括在VCSEL装置中的隧道结层的截面图。
图6是包括在VCSEL装置中的隧道结层的平面图。
图7是VCSEL装置的示意图。
图8是示出VCSEL装置的内周区域的带结构的带图。
图9是示出VCSEL装置的外周区域的带结构的带图。
图10是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图11是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图12是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图13是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图14是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图15是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图16是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图17是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图18是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图19是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图20是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图21是示出制造VCSEL装置的方法的示意图。
图22是示出VCSEL装置的离子注入区域的布置示例1的示意图。
图23是示出VCSEL装置的离子注入区域的布置示例2的示意图。
图24是示出VCSEL装置的离子注入区域的布置示例3的示意图。
图25是示出VCSEL装置的布置示例1中的外周区域的带结构的带图。
图26是示出VCSEL装置的布置示例2中的外周区域的带结构的带图。
图27是示出VCSEL装置的布置示例3中的外周区域的带结构的带图。
图28是根据本技术的实施方式的具有另一种结构的VCSEL装置的截面图。
图29是根据本技术的实施方式的具有另一种结构的VCSEL装置的截面图。
图30是根据本技术的实施方式的具有另一种结构的VCSEL装置的截面图。
图31是根据本技术的实施方式的具有另一种结构的VCSEL装置的截面图。
图32是根据本技术的实施方式的VCSEL装置阵列的截面图。
图33是包括在VCSEL装置阵列中的隧道结层的平面图。
图34是根据本技术的实施方式的集成模块的截面图。
具体实施方式
将描述根据本技术的实施方式的VCSEL(垂直腔面发射激光器)装置。
[VCSEL装置的结构]
图1是根据该实施方式的VCSEL装置100的截面图。如图所示，VCSEL装置100包括下间隔层101、下中间层102、有源层103、上中间层104、隧道结层105、上间隔层106、接触层107、下DBR 108、上DBR109、下电极110和上电极111。
在VCSEL装置100的配置中，在下DBR 108和上DBR 109之间的层，即下间隔层101、下中间层102、有源层103、上中间层104、隧道结层105和上间隔层106的堆叠体被称为堆叠体120。图2是堆叠体120的示意图。如图所示，堆叠体120的各个层的层表面方向被定义为X-Y方向，并且与层表面方向垂直的方向被定义为Z方向。
图3是从Z方向观察的堆叠体120的示图。如图所示，当从Z方向观察时，堆叠体120包括内周区域120a和外周区域120b。当将堆叠体120的与Z方向平行的周面称为周面120c时，内周区域120a是从Z方向观察时内周侧的区域，并且是与周面120c间隔开的区域。外周区域120b是内周区域120a与周面120c之间的区域，并且是包围内周区域120a的区域。
图4是单独示出堆叠体120的各个层的示意图。如图所示，将下间隔层101中的内周区域120a中包括的区域及外周区域121b中包括的区域分别称为内周区域101a及外周区域101b。类似地，各个层具有内周区域和外周区域。
即，下中间层102具有内周区域102a和外周区域102b，有源层103具有内周区域103a和外周区域103b。上中间层104具有内周区域104a和外周区域104b，并且隧道结层105具有内周区域105a和外周区域105b。上间隔层106具有内周区域106a和外周区域106b。
在下文中，将参考图1描述VCSEL装置100的每一个配置。下间隔层101是用于调节下DBR 108和上DBR 109之间的间隔的层。下间隔层101由n型半导体材料形成并且可以由例如n-InP形成。
下中间层102是设置在下间隔层101上并将载流子限制在有源层103中的层。下中间层102由n型半导体材料形成并且可以由包含Al的材料(例如，n-AlGaInAs)形成。此外，下中间层102可由不含Al的材料形成，并且可由例如n-InP形成。
有源层103设置在下中间层102上，发射并放大自发光。有源层103可以是具有量子阱(QW)结构的层，其中具有小带隙的量子阱层和具有大带隙的阻挡层交替堆叠。有源层103可以由包含Al的材料(例如，AlGaInAs)形成。进一步，有源层103可以由不含Al的材料形成，例如可以由InGaAs或InGaAsP形成。此外，有源层103不一定需要具有量子阱结构，并且可以具有由InAs等形成的量子点(QDs)结构。
上中间层104是提供在有源层103上并且将载流子限制在有源层103中的层。上中间层104由p型半导体材料形成并且可以由包含Al的材料(例如，p-AlGaInAs)形成。此外，上中间层104可以由不含Al的材料形成，并且可以由例如p-InP形成。
隧道结层105被提供在上中间层104上并且通过隧道结形成电流限制结构。图5是隧道结层105的截面图，图6是隧道结层的平面图。如图5所示，隧道结层105包括第一层121和第二层122。第一层121是在隧道结层105中的上中间层104侧上的层并且由具有高杂质浓度的p型半导体材料形成。第二层122是在隧道结层105中的上间隔层106侧上的层并且由具有高杂质浓度的n型半导体材料形成。
隧道结层105可以由包含Al的物质形成。包含Al的物质的示例包括AlInAs和AlGaInAs。在AlInAs的情况下，第一层121可以由p+-AlInAs形成，第二层122可以由n+-AlInAs形成。此外，在AlGaInAs的情况下，第一层121可以由p+-AlGaInAs形成，并且第二层122可以由n+-AlGaInAs形成。
此外，隧道结层105可以由不包含Al的物质形成，并且可以由例如InP、InGaAsP或InGaAs形成。在InP的情况下，第一层121可以由p+-InP形成，并且第二层122可以由n+-InP形成。在InGaAsP的情况下，第一层121可以由p+-InGaAsP形成，并且第二层122可以由n+-InGaAsP形成。在InGaAs的情况下，第一层121可以由p+-InGaAs形成，并且第二层122可以由n+-InGaAs形成。
此外，隧道结层105可以由包含Al的物质和不包含Al的物质两者形成，第一层121和第二层122的材料彼此不同。具体地，第一层121可以由包含Al的AlInAs或AlGaInAs形成，并且第二层122可以由InP、InGaAsP或不包含Al的InGaAs形成。在这种情况下，例如，第一层121可以由p+-AlInAs形成，并且第二层122可以由n+-InP形成。
相反，第一层121可以由InP、InGaAsP或不包含Al的InGaAs形成，并且第二层122可以由包含Al的AlInAs或AlGaInAs形成。在这种情况下，例如，第一层121可以由p+-InP形成，并且第二层122可以由n+-AlInAs形成。
在此，如上所述，隧道结层105具有从Z方向观察位于内周侧的内周区域105a和围绕内周区域105a的外周区域105b(见图4)。离子已被注入到外周区域105b，并且离子未被注入到内周区域105a。在图1和以下附图中，已经在VCSEL装置100中注入离子的区域被称为离子注入区域R并且由用点绘制的区域指示。由于离子注入，外周区域105b的杂质浓度小于内周区域105a的杂质浓度，并且外周区域105b的载流子浓度(电子和空穴的密度)小于内周区域105a的载流子浓度。
由于外周区域105b中的载流子浓度的降低，第一层121和第二层之间的隧道结消失，如下面将描述的。同时，离子没有注入到内周区域105a中，因此保持第一层121和第二层122之间的隧道结。结果，外周区域105b的电阻大于内周区域105a的电阻。
注入到外周区域105b的离子的离子种类可以是增加第一层121和第二层122之间的带隙的离子种类，具体可以是O离子或N离子。其中，O离子更适合，因为它们能够氧化外周区域105b。
上间隔层106是设置在隧道结层105上并调节下DBR 108和上DBR109之间的间隔的层。上间隔层106由n型半导体材料形成，并且可以是例如n-InP。
接触层107设置在上间隔层106上的上DBR 109周围，并提供上电极111和上间隔层106之间的电连接。接触层107可以具有围绕堆叠体120的内周区域120a的环形形状。接触层107由具有高杂质浓度的n型半导体材料形成，并且可以由例如n+-InGaAs、n+-InGaAsP或n+-InP形成。
下DBR 108与下间隔层101的内周区域101a(见图4)相邻设置，并用作反射波长λ的光的DBR(分布式布拉格反射器)。下DBR 108将堆叠体120夹在下DBR 108和上DBR 109之间以构成用于激光振荡的谐振器。低DBR 108例如是介电DBR，并且可以是SiO2、TiO2、Ta2O5、Si、Al2O3等。
上DBR 109被设置成与上间隔层106的内周区域106a(见图4)相邻，并且用作反射波长λ的光的DBR(分布式布拉格反射器)。上DBR 109在上DBR 109和下DBR 108之间夹置堆叠体120以构成用于激光振荡的谐振器。上DBR 109例如是电介质DBR，并且可以是SiO2、TiO2、Ta2O5、Si、Al2O3等。
下电极110邻近下DBR 108周围的下间隔层101提供，并用作VCSEL装置100的一个电极。下电极110可由例如Ti/Pt/Au、AuGe/Ni/Au等形成。此外，下电极110可通过电镀形成。
上电极111被形成为与接触层107相邻并且用作VCSEL装置100的另一个电极。上电极111可具有围绕上DBR 109的环形形状。上电极111例如可以由Ti/Pt/Au形成。
VCSEL装置100具有如上所述的配置。VCSEL装置100的配置不限于这里示出的配置，并且仅需要至少包括有源层103、隧道结层105、下DBR 108和上DBR 109。
[VCSEL装置的带结构]
将描述VCSEL装置100的带结构。图7是示出VCSEL装置100的示意图。在图7中，线A-A是穿过隧道结层105的内周区域105a的线，线B-B是穿过隧道结层105的外周区域105b的线。图8是示出沿图7中的线A-A的带结构的带图，图9是示出沿图7中的线B-B的带结构的带图。
如图8所示，在隧道结层105的内周区域105a中，第一层121的导带Ec和第二层122的价带Ev在第一层121和第二层122的边界彼此接近，并且形成第一层121和第二层122之间的隧道结。结果，如图中的箭头所示，电流从第二层122流向第一层121。
同时，如图9所示，在隧道结层105的外周区域105b中，载流子浓度通过离子注入降低，并且在第一层121和第二层122中导带Ec和价带Ev之间的间隔(带隙)增加。结果，外周区域105b的带隙大于内周区域105a的带隙。在外周区域105b中，由于第一层121和第二层122之间的隧道结由于带隙的增加而消失，因此在第一层121和第二层122之间没有电流流动。
如上所述，在隧道结层105中，电流通过隧道结流过内周区域105a，但是由于隧道结的消除，没有电流流过外周区域105b。为此，流过隧道结层105的电流集中在内周区域105a中，即，发生电流限制效应。
注意，如图9所示，要注入到外周区域105b的离子的离子种类只需要通过增加第一层121和第二层122中的导带Ec和价带Ev之间的带隙的离子种类即可，并且可以是例如O离子或N离子。
[VCSEL装置的操作]
当在下电极110和上电极111之间施加电压时，电流在下电极110和上电极111之间流动(参见图1)。电流通过隧道结层105中的隧道结经受电流限制效应并且被注入到有源层103的靠近隧道结层105的内周区域105a的区域中。结果，在该区域中发生自发发射光。自发辐射光在VCSEL装置100的堆叠方向(Z方向)传播，并且被下DBR 108和上DBR 109反射。
由于下DBR 108和上DBR 109被配置为反射具有振荡波长λ的光，自发发射光的振荡波长λ的分量在下DBR 108和上DBR 109之间形成驻波并被有源层103放大。当注入的电流超过阈值时，形成驻波的光被激光振荡，并且激光束通过上DBR 109发射。
在此，在VCSEL装置100中，通过将离子注入到隧道结层105的外周区域105b中以消除如上所述的外周区域105b的隧道结来实现电流限制结构。与质子注入(参见专利文献1)不同，由于外周区域105b的晶体没有被破坏以增加电阻，所以外周区域105b中的光吸收小，并且抑制由于光吸收引起的损耗。
[关于通过离子注入的氧化]
如上所述，通过将离子注入到隧道结层105的外周区域105b中来实现电流限制结构。在此，在隧道结层105由包含Al(AlInAs等)的物质形成并且外周区域105b是O离子的情况下，O被带入外周区域105b中的包含Al的物质中并且外周区域105b变成半绝缘体。因此，除了消除隧道结之外，半绝缘体使外周区域105b的电阻更高，这更合适。
此外，通过增加要注入到外周区域105b中的O离子的量，在外周区域105b中形成Al氧化物(AlOX)。例如，在内周区域105a中第一层121由p+-AlInAs形成且第二层122由n+-AlInAs形成的情况下，外周区域105b可以由AlInAs氧化物形成。
通过形成Al氧化物，外周区域105b的带隙(参见图9)被加宽，并且外周区域105b的折射率变得小于内周区域105a的折射率。结果，在下DBR 108和上DBR 109之间行进的光在内周区域105a中比在外周区域105b中更容易行进，并且在层表面方向(X-Y方向)上发生光限制效应。由于这个原因，从VCSEL装置100发射的激光束的量增加并且VCSEL装置100的光发射特性得到改进。
[关于VCSEL装置的制造方法]
将描述制造VCSEL装置100的方法。图10至图21各自是示出制造VCSEL装置100的方法的示意图。
如图10所示，在基板131上形成半导体层132、蚀刻阻挡层133、下间隔层101、下中间层102、有源层103、上中间层104、隧道结层105、上间隔层106和接触层107，以制备堆叠体130。各个层可以通过外延生长方法形成。
注意，基板131是由n型半导体材料形成的基板状态，并且可以是例如n-InP基板。半导体层132由n型半导体材料形成，并且可以是例如n-InP。刻蚀阻挡层133由n型半导体材料形成，例如可以为n-InGaAsP。从下间隔层101到接触层107的各个层由上述材料形成。
接着，如图11所示，对接触层107进行图案化，去除接触层107的一部分，使上间隔层106的包含内周区域106a的区域露出。可以使用光刻法图案化接触层107，并且可以通过湿法蚀刻或基于氯的干法蚀刻去除不必要的部分。注意，湿蚀刻更适合，并且可以使用硫酸：过氧化氢：水的混合溶液或柠檬酸：过氧化氢：水的混合溶液作为蚀刻溶液来执行选择性蚀刻。
接着，如图12所示，在之前的工序中露出的上间隔层106上形成抗蚀剂134，利用该抗蚀剂134覆盖内周区域106a。抗蚀剂134可以通过使用光刻法进行图案化来形成。
接着，如图13所示，从接触层107和抗蚀剂134的上方注入离子。这里，已进入内周区域120a(见图2)的离子被抗蚀剂134屏蔽。同时，已经进入外周界区域120b的离子被注入到隧道结层105的外周界区域105b中以形成离子注入区域R。结果，在隧道结层105中，形成电流通过隧道结的内周区域105a和由于隧道结的消除而没有电流通过的外周区域105b。
在此，在隧道结层105由包含Al的物质形成并且离子是O离子的情况下，可以通过增加待注入的O离子的量氧化存在于外周区域105b中的Al以形成Al氧化物(AlOX)。
例如，在隧道结层105由包含Al的物质形成的情况下，可以通过注入O离子以到达刚好在上中间层104之前的深度而在外周区域105b中产生Al氧化物。由于接触层107和上间隔层106由不含Al的物质形成，所以它们不会被注入的O离子氧化。
随后，如图14所示，去除抗蚀剂134。此外，执行退火处理。接触层107和上间隔层106由于先前工艺中的离子注入而具有晶体缺陷且导电率降低，但可修复晶体缺陷且可通过退火处理解决导电率降低。另外，能够通过退火处理促进上述外周区域105b的氧化。
接着，如图15所示，在接触层107上形成上电极111。上电极111可以通过使用光刻法进行图案化来形成。
随后，如图16所示，在上间隔层106的内周区域106a上形成上DBR109。可以通过剥离或干法蚀刻通过开口等将上DBR 109图案化，并形成上DBR 109。
接着，如图17所示，去除基板131。基板131可以通过将堆叠体130接合至支撑基板并且通过背面研磨机等夹持基板131来去除。
随后，如图18所示，去除半导体层132。半导体层132可以通过使用硝酸：磷酸等的混合溶液作为蚀刻溶液的湿法蚀刻去除，因为在半导体层132和蚀刻停止层133之间执行选择性蚀刻。
接着，如图19所示，去除蚀刻阻挡层133。因为在蚀刻阻挡层133和下间隔层101之间执行选择性蚀刻，所以可以通过使用硫酸：过氧化氢：水等的混合溶液作为蚀刻溶液的湿法蚀刻来去除蚀刻阻挡层133。
随后，如图20所示，在下间隔层101的内周区域101a上形成下DBR108。下DBR 108可通过开口等由剥离或干法蚀刻来图案化并形成。
随后，如图21所示，下电极110形成在下间隔层101和下DBR 108上。下电极110可以通过电镀形成。
以这种方式，可以制备VCSEL装置100。注意，制造VCSEL装置100的方法不限于这里示出的方法，并且仅需要包括至少将离子注入到隧道结层105的外周区域105b中的过程。
[VCEL装置的效果]
如上所述，VCSEL装置100能够通过将离子注入到隧道结层105的外周区域105b以消除隧道结来降低载流子浓度来实现电流限制效应。由于不通过破坏外周区域105b中的晶体来实现电流限制结构，因此外周区域105b中的光吸收小，并且能够抑制由于光吸收而导致的损耗。为此，VCSEL装置100适合于高输出。此外，在VCSEL装置100中，与掩埋隧道结结构不同，掩埋生长工艺对于形成电流限制结构是不必要的，可以实现优异的可生产性。
此外，在VCSEL装置100中，在隧道结层105由包含Al的物质形成并且要注入到外周区域105b中的离子是O离子的情况下，可以通过增加要注入的O离子的量在外周区域105b中形成Al氧化物(AlOX)。由于通过形成Al氧化物降低了外周区域105b的折射率，所以可以通过隧道结层105实现光限制效果并且改善VCSEL装置100的光发射特性。
此外，通过在注入O离子之后进行退火处理，可以降低外周区域105b的载流子浓度，促进Al氧化物的形成，并且通过提高晶体质量和强氧化来提高VCSEL装置100的可靠性。
[关于离子注入区域]
虽然在以上描述中，离子被注入到VCSEL装置100中的隧道结层105的外周区域105b中，但是离子可以被注入到VCSEL装置100的另一层中。图22至图24各自是VCSEL装置100的截面图，其中离子被注入到除了隧道结层105之外的层中。
(离子注入区域1)
如图22所示，在VCSEL装置100中，除了隧道结层105之外，离子可以被注入到上中间层104中。在上中间层104中，离子可被注入到外周区域104b中(见图4)，并且没有离子可被注入到内周区域104a中。
图25是示出沿图22所示的VCSEL装置100的线B-B的带结构的带图。注意，沿着图22中所示的VCSEL装置100的线A-A的带结构与图8中的相同。
如图25所示，在隧道结层105的外周区域105b中，载流子浓度由于离子注入而降低，并且隧道结由于带隙的增加而消失。此外，在上中间层104的外周区域104b中，类似于外周区域105b，带隙增大。为此，还在图22中所示的配置中，实现了通过隧道结层105的电流限制结构。
通过在内周区域120a上设置抗蚀剂并且从上方对其施加离子，可以将离子注入到外周区域105b和外周区域104b中(见图13)。此时，通过将离子注入的深度设定为刚好在有源层103之前，可以将离子注入到外周区域105b和外周区域104b中。
注意，在隧道结层105和上中间层104均由包含Al的物质形成的情况下，可以通过将O离子注入到外周区域105b和外周区域104b中，在外周区域105b和外周区域104b中形成Al氧化物。结果，由于可以使外周区域105b的折射率小于内周区域105a的折射率并且可以使外周区域104b的折射率小于内周区域104a的折射率，所以可以通过隧道结层105和上中间层104实现光限制。
具体地，隧道结层105可以由n+-AlInAs和p+-AlInAs形成，并且上中间层104可以由p-AlGaInAs形成。此外，有源层103由不含Al的物质形成，并且可以由例如InGaAs形成。结果，可以仅在隧道结层105和上中间层104中的每一个的外周区域中形成Al氧化物。下中间层102可由诸如n-AlGaInAs的包含Al的物质形成，并可由诸如n-InP的不包含Al的物质形成。
(离子注入区域2)
如图23所示，在VCSEL装置100中，除了隧道结层105之外，离子可以被注入到上中间层104、有源层103和下中间层102中。在上中间层104中，离子可被注入到外周区域104b中(见图4)，并且没有离子可被注入到内周区域104a中。
此外，在有源层103中，离子可注入外周区域103b(见图4)，并且没有离子可注入内周区域103a。在下中间层102中，离子可以注入外周区域102b(见图4)，并且没有离子可以注入内周区域102a。
图26是示出沿图23所示的VCSEL装置100的线B-B的带结构的带图。注意，沿着图23中所示的VCSEL装置100的线A-A的带结构与图8中的带结构相同。
如图26中所示，在隧道结层105的外周缘区域105b中，载流子浓度由于离子注入而降低，并且隧道结由于带隙的增加而消失。此外，在上中间层104、有源层103和下中间层102中的每一个的外周区域中，带隙与外周区域105b类似地增加。为此，同样在图23中所示的配置中，通过隧道结层105实现电流限制结构。
通过在内周界区域120a上设置抗蚀剂并且从上方向其施加离子，可以将离子注入到隧道结层105、上中间层104、有源层103和下中间层102中的每一个的外周界区域中(见图13)。此时，通过将离子注入的深度设定在下间隔层101之前，可以向各个层的外周区域注入离子。
注意，在隧道结层105、上中间层104、有源层103和下中间层102均由包含Al的物质形成的情况下，可以通过在各个层的外周区域中注入O离子而在各个层的外周区域中形成Al氧化物。因此，因为可以使各个层的外周区域的折射率小于各个层的内周区域的折射率，所以可以通过隧道结层105、上中间层104、有源层103和下中间层102实现光限制。
具体地，隧道结层105可以由n+-AlInAs和p+-AlInAs形成，并且上中间层104可以由p-AlGaInAs形成。此外，有源层103可以由AlGaInAs形成，并且下中间层102可以由n-AlGaInAs形成。结果，可以在隧道结层105、上中间层104、有源层103和下中间层102中的每一个的外周区域中形成Al氧化物。
注意，下中间层102可由不包含Al的物质(诸如n-InP)形成。在这种情况下，可以仅在隧道结层105、上中间层104和有源层103中的每一个的外周区域中形成Al氧化物。
(离子注入区域3)
如图24所示，在VCSEL装置100中，除了隧道结层105之外，离子可以被注入到有源层103中。在有源层103中，离子可以注入外周区域103b(见图4)，并且没有离子可以注入内周区域103a。进一步，在隧道结层105与有源层103之间的上中间层104中不注入离子。
图27是示出沿图24中所示的VCSEL装置100的线B-B的带结构的带图。注意，沿着图24中所示的VCSEL装置100的线A-A的带结构与图8中的相同。
如图27所示，在隧道结层105的外周缘区域105b中，载流子浓度由于离子注入而降低，并且隧道结由于带隙的增加而消失。此外，在有源层103的外周区域103b中，带隙与外周区域105b类似地增大。同时，因为离子没有被注入到上中间层104的外周区域104b中，所以保持带隙。
通过在内周界区域120a上设置抗蚀剂并且从上方向其施加离子，可以将离子注入到隧道结层105和有源层103中的每一个的外周界区域中(见图13)。这里，通过形成包含Al的物质的隧道结层105和有源层103以及不包含Al的物质的上中间层104中的每一个并且使用O离子作为待注入的离子，可以仅在隧道结层105和有源层103中的每一个的外周区域中注入离子。
此外，通过增加待注入的O离子的量，可以在隧道结层105和有源层103中的每一个的外周区域中形成Al氧化物。因此，因为可以使隧道结层105和有源层103中的每一个的外周区域的折射率小于各个层的内周区域的折射率，所以可以通过隧道结层105和有源层103实现光限制。
具体地，隧道结层105可以由n+-AlInAs和p+-AlInAs形成，并且有源层103可以由AlGaInAs形成。此外，上中间层104可以由p-InP形成。结果，可以在隧道结层105和有源层103的每一个的外周区域中形成Al氧化物，并且在上中间层104中不形成Al氧化物。
注意，下中间层102可以由诸如n-AlGaInAs的包含Al的物质形成，并且可以由诸如n-InP的不包含Al的物质形成。在下中间层102由包含Al的物质形成的情况下，可以在隧道结层105、有源层103和下中间层102中的每一个的外周区域中形成Al氧化物。
此外，在VCSEL装置100中，离子可以被注入到下中间层102、有源层103或上中间层104中的至少一个的外周区域中。进一步，在VCSEL装置100中，下中间层102、有源层103或上中间层104中的至少一个的外周区域可以含有Al氧化物。
[VCSEL装置的其他结构]
将描述VCSEL装置100的其他结构。图28至图31各自是具有另一种结构的VCSEL装置100的截面图。注意，在下面所示的每一个VCSEL装置100中，离子注入区域R的布置可以具有任何上述配置。
(下DBR)
如图28所示，VCSEL装置100可以包括具有凹陷曲面形状的下DBR108。如图所示，VCSEL装置100还包括形成在下间隔层101上的支撑层112。支撑层112由诸如SI(半绝缘)-InP的半绝缘材料形成并且以突出的曲面形状形成。
下DBR 108形成于支撑层112上，并形成为凹陷曲面形状。通过以凹陷曲面形状形成下DBR 108，可以将来自下DBR 108的反射光聚集在内周区域120a上，并且通过下DBR 108实现光限制效应。注意，下DBR 108可以具有球面曲面形状，也可以具有柱面曲面形状或其他曲面形状。
(背面发射VCSEL)
如图29所示，VCSEL装置100可以是发射VCSEL的后表面。在这种结构中，上电极111覆盖上DBR 109，下电极110设置在下DBR 108周围。在VCSEL装置100中产生的激光束穿过下DBR 108并且从背面侧(在下间隔层101侧)发射。注意，上DBR 109可以具有上述凹陷曲面形状。
(隧道结层的设置)
如图30所示，在VCSEL装置100中，隧道结层105可以被设置成比有源层103更靠近较低的DBR 108。即，VCSEL装置100可以通过按以下顺序堆叠下间隔层101、隧道结层105、下中间层102、有源层103、上中间层104和上间隔层106来获得。
在此结构中，下中间层102可以由诸如p-AlGaInAs的p型半导体材料形成，并且上中间层104可以由诸如n-AlGaInAs的n型半导体材料形成。其他层可以由上述材料形成。注意，在这种结构中，VCSEL装置100可以是发射VCSEL的背面，并且下DBR 108或上DBR 109可以具有凹陷曲面形状。
(不同材料基板)
如图31所示，VCSEL装置100可以包括基板113而不是下间隔层101。基板113由与VCSEL装置100的其他层的材料不同的材料形成，例如Si、SiC、AlN、GaN和玻璃，并且可以附接到下中间层102。基板113适当地由具有高热导率的材料形成。
(各个层的材料)
如上所述，VCSEL装置100可以是通过在由n-InP形成的基板131(见图10)上通过晶体生长分别堆叠层而获得的基于InP的VCSEL装置。可替代地，VCSEL装置100可以是GaAs基VCSEL装置，该GaAs基VCSEL装置通过在由n-GaAs形成的基板上通过晶体生长来堆叠各个层而获得。
在这种情况下，下间隔层101和上间隔层106(见图1)可由n-GaAs形成，下中间层102可由n-AlGaAs形成。此外，有源层103可以由InGaAs、GaInNAs等形成，并且上中间层104可以由p-AlGaAs形成。在隧道结层105中，在内周区域105a中，第一层121可以由p+-AlGaAs形成，并且第二层122可以由n+-AlGaAs形成，并且外周区域105b可以由AlGaAs氧化物形成。接触层107可以由n+-GaAs形成。此外，VCSEL装置100可以由能够实现VCSEL装置的各种材料形成。
[VCSEL装置阵列]
根据该实施方式的VCSEL装置100还能够构成VCSEL装置阵列。图32是根据该实施方式的VCSEL装置阵列200的截面图。如图所示，VCSEL装置阵列200通过布置多个VCSEL装置100来配置。构成VCSEL装置阵列200的VCSEL装置100的数目不受特别限制。
图33是示出VCSEL装置阵列200中的隧道结层105的平面图。如图所示，隧道结层105包括多个内周区域105a和围绕内周区域105a的外周区域105b。离子注入区域R形成在外周区域105b中，并且电流限制结构由隧道结层105实现。
[集成模块]
根据该实施方式的VCSEL装置100还能够构成集成模块。图34是根据该实施方式的集成模块300的截面图。如图所示，集成模块300包括VCSEL装置100和半导体装置301。
VCSEL装置100包括上述基板113(参见图31)，并且基板113能够构成诸如Si电路的半导体电路。半导体装置301安装在基板113上并且经由基板113中的半导体电路电连接到VCSEL装置100。半导体装置301是光接收装置，并且可以是例如由SiGe形成的APD(雪崩光电二极管)。因此，集成模块300能够构成TOF(飞行时间)模块。
此外，半导体装置301可以是不同于光接收装置的装置，并且可以是例如VCSEL装置的驱动装置。进一步，一个或多个半导体装置301可以安装在上述VCSEL装置阵列200上以获得集成模块。半导体装置301可通过硅光子技术安装。集成模块300不一定需要包括半导体装置301，并且可以包括形成在基板113中的半导体电路和一个或多个VCSEL装置100。
[关于本公开]
本公开中描述的效果仅是示例而不是限制，并且可提供额外的效果。上述多个效果的描述并不一定意味着这些效果同时展现。这意味着可以实现上述效果中的至少一个，并且可以表现出在本公开中未描述的效果。此外，在本公开中描述的特征中，可以组合至少两个特征。
应注意，本技术还可采取以下配置。
(1)一种垂直腔面发射激光器元件，包括：
第一DBR(分布式布拉格反射器)，反射特定的波长的光；
第二DBR，反射波长的光；
有源层，布置在第一DBR与第二DBR之间；
隧道结层，布置在第一DBR与有源层之间并形成隧道结，其中，
第一DBR与第二DBR之间的各个层具有：内周区域，当从垂直于层表面的方向观察时，内周区域在内周侧上；以及外周区域，围绕内周区域，离子被注入到隧道结层的外周区域中，外周区域具有比隧道结层的内周区域更低的载流子浓度和更大的电阻。
(2)根据以上(1)所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
隧道结层的外周区域的带隙大于隧道结层的内周区域的带隙。
(3)根据以上(2)所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
隧道结层的外周区域的折射率小于隧道结层的内周区域的折射率。
(4)根据以上(1)至(3)中任一项所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
离子是O离子。
(5)根据以上(1)至(4)中任一项所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
隧道结层由包含至少一层Al的物质形成。
(6)根据以上(5)所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
隧道结层的外周区域包含Al氧化物。
(7)根据以上(1)至(6)中任一项所述的垂直腔面发射激光器元件，还包括：
第一中间层，布置在隧道结层与有源层之间；以及
第二中间层，布置在第二DBR与有源层之间，其中，
离子是O离子，并且
有源层、第一中间层或第二中间层中的至少一个的外周区域包含Al氧化物。
(8)根据以上(7)所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
第一中间层的外周区域包含Al氧化物，并且
有源层和第二中间层中的每一个的外周区域不包含Al氧化物。
(9)根据以上(7)所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
第一中间层、有源层和第二中间层中的每一个的外周区域包含Al氧化物。
(10)根据以上(7)所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
有源层的外周区域包含Al氧化物，并且
第一中间层和第二中间层中的每一个的外周区域不包含Al氧化物。
(11)根据以上(1)至(10)中任一项所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
隧道结层的内周区域通过堆叠由p+-AlInAs形成的第一层和由n+-AlInAs形成的第二层形成，并且
隧道结层的外周区域由AlInAs氧化物形成。
(12)根据以上(1)至(10)中任一项所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
隧道结层的内周区域通过堆叠由p+-AlGaAs形成的第一层和由n+-AlGaAs形成的第二层形成，并且
隧道结层的外周区域由AlGaAs氧化物形成。
(13)一种制造垂直腔面发射激光器元件的方法，包括：
形成堆叠体，堆叠体包括反射特定的波长的光的第一DBR(分布式布拉格反射器)、反射波长的光的第二DBR、布置在第一DBR与第二DBR之间的有源层以及布置在第一DBR与有源层之间并形成隧道结的隧道结层，第一DBR与第二DBR之间的各个层具有：内周区域，当从垂直于层表面的方向观察时，内周区域在内周侧上；以及外周区域，围绕内周区域；以及
将离子注入到隧道结层的外周区域中，以使隧道结层的外周区域的载流子浓度低于隧道结层的内周区域的载流子浓度，并且使隧道结层的外周区域的电阻大于隧道结层的内周区域的电阻。
(14)根据以上(13)所述的制造垂直腔面发射激光器元件的方法，其中，
隧道结层由包含Al的物质形成，并且
将离子注入到隧道结层的外周区域中的步骤包括将O离子注入到隧道结层的外周区域中。
(15)根据以上(14)所述的制造垂直腔面发射激光器元件的方法，其中，
将离子注入到隧道结层的外周区域中的步骤还包括通过注入O离子在隧道结层的外周区域中生成Al氧化物。
(16)根据以上(14)所述的制造垂直腔面发射激光器元件的方法，其中，
堆叠体还包括布置在隧道结层与有源层之间的第一中间层以及布置在第二DBR与有源层之间的第二中间层，并且
将离子注入到隧道结层的外周区域中的步骤还包括：将O离子注入到有源层、第一中间层或第二中间层中的至少一个的外周区域中。
(17)根据上述(14)至(16)中任一项所述的制造垂直腔面发射激光器元件的方法，还包括：
修复由离子注入引起的晶体缺陷并促进Al氧化物的生成的退火步骤。
参考标号列表
100VCSEL装置
101 下间隔层
102 下中间层
103 有源层
104 上中间层
105 隧道结层
105a 内周区域
105b 外周区域
106 上间隔层
107 接触层
108下DBR
109上DBR
110 下电极
111 上电极

Claims (17)

1.一种垂直腔面发射激光器元件，包括：
第一DBR(分布式布拉格反射器)，反射特定的波长的光；
第二DBR，反射所述波长的光；
有源层，布置在所述第一DBR与所述第二DBR之间；
隧道结层，布置在所述第一DBR与所述有源层之间并形成隧道结，其中，
所述第一DBR与所述第二DBR之间的各个层具有：内周区域，当从垂直于层表面的方向观察时，所述内周区域在内周侧上；以及外周区域，围绕所述内周区域，离子被注入到所述隧道结层的外周区域中，所述外周区域具有比所述隧道结层的内周区域更低的载流子浓度和更大的电阻。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述隧道结层的外周区域的带隙大于所述隧道结层的内周区域的带隙。
3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述隧道结层的外周区域的折射率小于所述隧道结层的内周区域的折射率。
4.根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述离子是O离子。
5.根据权利要求4所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述隧道结层由包含至少一层Al的物质形成。
6.根据权利要求5所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述隧道结层的外周区域包含Al氧化物。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器元件，还包括：
第一中间层，布置在所述隧道结层与所述有源层之间；以及
第二中间层，布置在所述第二DBR与所述有源层之间，其中，
所述离子是O离子，并且
所述有源层、所述第一中间层或所述第二中间层中的至少一个的外周区域包含Al氧化物。
8.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述第一中间层的外周区域包含Al氧化物，并且
所述有源层和所述第二中间层中的每一个的外周区域不包含Al氧化物。
9.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述第一中间层、所述有源层和所述第二中间层中的每一个的外周区域包含Al氧化物。
10.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述有源层的外周区域包含Al氧化物，并且
所述第一中间层和所述第二中间层中的每一个的外周区域不包含Al氧化物。
11.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述隧道结层的内周区域通过堆叠由p+-AlInAs形成的第一层和由n+-AlInAs形成的第二层形成，并且
所述隧道结层的外周区域由AlInAs氧化物形成。
12.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器元件，其中，
所述隧道结层的内周区域通过堆叠由p+-AlGaAs形成的第一层和由n+-AlGaAs形成的第二层形成，并且
所述隧道结层的外周区域由AlGaAs氧化物形成。
13.一种制造垂直腔面发射激光器元件的方法，包括：
形成堆叠体，所述堆叠体包括反射特定的波长的光的第一DBR(分布式布拉格反射器)、反射所述波长的光的第二DBR、布置在所述第一DBR与所述第二DBR之间的有源层以及布置在所述第一DBR与所述有源层之间并形成隧道结的隧道结层，所述第一DBR与所述第二DBR之间的各个层具有：内周区域，当从垂直于层表面的方向观察时，所述内周区域在内周侧上；以及外周区域，围绕所述内周区域；以及
将离子注入到所述隧道结层的外周区域中，以使所述隧道结层的外周区域的载流子浓度低于所述隧道结层的内周区域的载流子浓度，并且使所述隧道结层的外周区域的电阻大于所述隧道结层的内周区域的电阻。
14.根据权利要求13所述的制造垂直腔面发射激光器元件的方法，其中，
所述隧道结层由包含Al的物质形成，并且
将离子注入到所述隧道结层的外周区域中的步骤包括将O离子注入到所述隧道结层的外周区域中。
15.根据权利要求14所述的制造垂直腔面发射激光器元件的方法，其中，
将离子注入到所述隧道结层的外周区域中的步骤还包括通过注入O离子在所述隧道结层的外周区域中生成Al氧化物。
16.根据权利要求14所述的制造垂直腔面发射激光器元件的方法，其中，
所述堆叠体还包括布置在所述隧道结层与所述有源层之间的第一中间层以及布置在所述第二DBR与所述有源层之间的第二中间层，并且
将离子注入到所述隧道结层的外周区域中的步骤还包括：将O离子注入到所述有源层、所述第一中间层或所述第二中间层中的至少一个的外周区域中。
17.根据权利要求14所述的制造垂直腔面发射激光器元件的方法，还包括：
修复由离子注入引起的晶体缺陷并促进Al氧化物的生成的退火步骤。
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