CN1165418A - P在下的低阻的上发射脊垂直腔面发射激光器和制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种高效率垂直腔面发射激光器包含一个衬底、一个位于其上的P型导电的第一镜面层叠、一个由沉积的介电材料组成的第二镜面层叠以及一个位于其间的包含一个位于第一包层和第二包层之间的有源区的腔。n型导电的接触区位于第二包层上，二者构成台面结构。电接触连接接触区且确定一个中央光发射窗口。

Description

P在下的低阻的上发射脊垂直腔面发射激光器和制造方法
本发明涉及垂直腔面发射激光器，具体涉及带有台面结构的垂直腔面发射激光器。
垂直腔面发射激光器是众所周知的，它们被制作成各种各样的结构。但是，实际上在所有的结构中，激光器的主体是一个有源区，夹在二个镜面层叠之间。使电流流过二个镜面层叠和有源区来激活激光器。这通常是借助于在激光器的一端设置一个跨越镜面层叠的第一电极和在激光器另一端设置一个跨越另一镜面层叠的第二电极来实现的。其中的一个电极通常确定有一个中央窗口用来发射光。按照常规，为了便于制造，VCSEL装置由n型导电的衬底通常承载的P型导电材料形成上镜面层叠和n型导电材料形成下镜面层叠来制作。
为了得到最高的效率，必须将电流的大部分注入到与光学模重叠的有源区部分中。激射区之外的电流是无用的或产生无用的激射。
为了克服这个问题，很多装置采用了尺寸严格对应于光学模的台面或脊，电流通过它而注入。虽然这减小了无用电流或激射，但也引起了串联电阻增大，降低了效率。上电极面积的必要的减小进一步增大了串联电阻。这是因为台面的尺寸减小了，但发射窗口保持不变故而引起电极面积减小的缘故。
为了用诸如容性电流源之类的常规电流源来驱动垂直腔面发射激光器，当假设装置的电容已低于驱动器和封装件的电容时，必须降低装置的串联电阻。上镜面层叠和上电极的具体接触电阻取决于掺杂浓度。但是，掺杂浓度由于需要尽量减小自由载流子所造成的光损失而受到限制。因此，最佳掺杂无法单独地实现足够低的串联电阻。正如1995年10月30日提交并转让给同一受让人的、序号为08/550148的、题目为“低阻上发射脊VCSEL及其制作方法”的共同未决美国专利申请中所公开的那样，借助于增大台面特别是上镜面层叠的尺寸，可大幅度减小串联电阻。用邻接于有源区的上镜面层叠的氧化或切口部分，来控制电流进入有源区。虽然有效地减小了串联电阻，但仍希望进一步减小。
为此，排除现有技术所固有的前述和其它的不足是极为有益的。
据此，本发明的一个目的是提供对于垂直腔面发射激光器的改进。
本发明的另一目的是提供一种电阻降低了的垂直腔面发射激光器。
本发明的又一目的是提供一种具有P在下结构的垂直腔面发射激光器。
本发明的再一个目的是提高垂直腔面发射激光器的运行速度。
简言之，为了达到本发明的所需目的，根据其最佳实施例，这里提供一种高效率的垂直腔面发射激光器，它包含一个衬底、一个位于衬底上的P型导电的第一镜面层叠、一个位于第一镜面层叠上的有源区、一个位于有源区上的由沉积的介电材料组成的第二镜面层叠、以及一个位于第二镜面层叠和有源区之间的n型导电的接触区。
现在还提供一种制造高效率垂直腔面发射激光器的方法。
结合附图，从本发明最佳实施例的下文详细描述，对本技术领域的熟练人员来说，本发明的上述和进一步的更具体的目的和优点将变得更为明显。
图1是根据本发明而制作的垂直腔面发射激光器的剖面图；
图2是图1中的垂直腔面发射激光器的局部剖面图。
现参照附图，图中相似的参考号表示相应的元件。先看图1，该图示出了体现本发明的一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)10。本发明的装置由制作在适当材料衬底上的多个层组成。这些层通常用本技术领域熟知的MBE、MOCVD、CBE之类的外延沉积方法来制作。这些技术可用来外延沉积诸如砷化镓、铝镓砷、砷化铝、硅、铟镓砷之类材料的薄层和厚层。
总的来说，衬底12如现在所理解的那样，通常是与后续生长于其上的层兼容的砷化镓(GaAs)或类似物。在衬底12的上表面上，生长一个P型导电的布拉格镜面的镜面层叠14。这与常规的VC-SEL(其中的n型导电镜面层叠位于衬底上)相反。
业已发现P型导电材料中的空穴比n型导电材料中的电子运动得更慢，于是P型导电材料的固有电阻大于n型导电的电阻。在采用台面(mesa)结构的常规VCSEL中，上镜面层叠由P型导电材料组成。由于台面结构的形成造成面积减小且由于它是由比n型导电材料电阻更大的材料所组成，故上镜面层叠具有大的电阻。据此，为了减小串联电阻，肯定地说，具有面积减小的亦即台面结构的VC-SEL的部分应该由n型导电材料来制作。
镜面层叠14通常由例如在衬底12上外延生长的多个成对的具有交变折射率的半导体层组成。每对交变层生长成预定厚度(在工作频率时约为半波长)，而且对数选成在叠层数目限于实际可行的情况下能得到尽可能大的光反射率。在最佳实施例中，采用了约为30-40对。
有源区16生长在镜面层叠14上，它包括被势垒层分隔开的一个或更多个量子阱，其两端有包层。此量子阱、势垒层和包层都是外延生长的。量子阱根据熟知的现象受其上所加电流的恰当激励时产生光子(光)。通常，加到有源区16的电流越大，所产生的光子数就越多。
再参照图2，在最佳实施例中，在镜面层叠14上沉积一层，以形成VCSEL10中的P型导电的包层18。包层18或者用杂质进行轻掺杂以得到P型导电，或者不掺杂。五个不掺杂的材料层联合提供由两个势垒层21分隔开的三个量子阱层20。可以理解，可采用或多或少的层来提供所需的有源区。在有源区16的上表面上，沉积一个第二包层22，它或者用杂质轻掺杂成n型导电或者不掺杂。层18、20、21和22构成通常称为“VCSEL10的腔”的结构，并且是VC-SEL10的产生光的部分。在VCSEL10的实施例中，为了下文将要讨论的目的，用相当厚的轻掺杂包层将腔做成很长。镜面层叠14和有源区16的制作在本技术领域中众所周知，故在本文中不再赘述。
在第二包层22的上表面上，沉积一个接触区24。接触区24与腔相位匹配，且包括沉积在第二包层22上的一个第一层26和沉积在第一层26上的一个第二层28。层26和28中的每一个最好都小于或等于100，第一层26由AlGaAs组成而第二层28由GaAs组成。接触区24用杂质重掺杂以得到n型导电，并确保接触区24和下面将要更详细地加以描述的电接触之间的良好接触。
利用常规的腐蚀技术将包层22和接触区24制成有源区16上的一个台面25。提供一个长腔以不腐蚀穿有源区16形成台面25(也称为“脊”)。对有源区16的腐蚀会大大降低VCSEL的可靠性，因此要避免。肯定地说，为了提供良好的光限制，要求台面的台阶(高度)范围为约2000-3000。为了达到这一高度而不腐蚀到有源区16，2-3个波长的腔最好，其第一包层18为1个波长厚，而第二包层22为2个波长厚。只有第二包层22和接触区24被腐蚀。
如上所述，为了减小串联电阻，第一镜面层叠14由P型导电材料构成，而台面25亦即接触区24和第二包层22由n型导电材料构成。由于n型导电材料比P型导电材料的电阻低，故这就降低了电阻。于是，比起常规P在上的结构来，这种P在下的结构就以大面积而提供了第一镜面层叠14的较高阻P型导电材料。此面积的直径明显大于台面25的直径(大于或接近于二倍)。这种大面积使电流可以扩展，于是减小电阻。接触区24和第二包层22的n型导电材料本来就电阻较低，因此，减小n型导电材料组成的形成台面25的接触区24和第二包层22的面积，不如减小若为P型导电材料的面积那样重要。
台面25制作之后有一个相当于接触区24顶表面的上表面29和大体垂直的侧面。在直至接触区24的台面25的垂直侧面上，沉积一个介电层30。介电层30可以是诸如氮化硅(SiNx)的任何一种熟知的材料，它防止电流从接触区24以外的任何地方进入VC-SEL10而造成的短路。
第一电接触32沉积在接触区24的上表面和垂直侧面上的介电层30上。第一电接触32与接触区24形成欧姆接触。在此具体实施例中，第一电接触层32由n型金属组成。第一电接触层32沉积在除上表面29中央的光发射窗口34之外的VCSEL10的整个上表面和侧面上(在介电层30的外侧面上)。窗口34的直径最好为5-50μm。
第二电接触36沉积在第一镜面层叠14上邻近器件。第二电接触36为P型金属，是与第一电接触32相反的接触。在第一电接触32和第二电接触36之间通过的电流，在前述的有源区16中产生光子。可以理解，第二电接触36可位于所希望的各个位置，例如位于衬底12和镜面层叠14之间，或在衬底12的下表面上。在后一种情况下，衬底12可用杂质进行高掺杂以得到P型导电。还可理解，电接触36可以是高掺杂的半导体材料而不是金属。
虽然n型导电材料的电阻比P型导电材料的低，由于铝含量高的层中施主电离很差而使n型镜面层叠的纵向电阻可能很大。铝通常被用在镜面层叠之中以提供不同的折射率。为了避免这个问题并进一步减小电阻，随后借助于在台面25的上表面上沉积多个介电材料层而制作了一个第二镜面层叠40。介电镜面层叠40在制作台面25并沉积第一电接触32之后沉积。
于是，电流的注入被控制住，注入到有源区32中，其光学模式决定于n型导电材料组成的台面25的直径，且由于P在下结构(以底部镜面层叠作为大面积P型导电材料以及介电上镜面层叠的采用而大大减小了串联电阻。
对本技术领域的熟练人员来说，对此处举例用的实施例可容易地做出各种改变和修正。对于不超越本发明构思的修改和变动，都包括在下列权利要求所规定的本发明的范围之中。
对本发明已作了明确而清楚的充分描述，以使本技术领域的熟练人员能够理解并实行本发明。

Claims (10)

1、一种高效率的垂直腔面发射激光器，其特征是：
一个衬底；
一个第一镜面层叠，位于衬底上，具有P型导电性；
一个有源区，位于第一镜面层叠上；
一个第二镜面层叠，位于有源区上，由沉积的介电材料而组成的；以及
一个接触区，位于第二镜面层叠和有源区之间，具有n型导电性。
2、根据权利要求1所述的高效率垂直腔面发射激光器，其进一步特征是，一个第一包层，位于第一镜面层叠和有源区之间，和一台第二包层，位于该有源区和该接触区之间，第一包层、有源区和第二包层构成一个腔。
3、根据权利要求2所述的高效率垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述的腔具有至少为2个波长厚度。
4、根据权利要求3所述的高效率垂直腔面发射激光器，其特征在于，第二包层和该接触区是构成一个台面结构。
5、根据权利要求4所述的高效率垂直腔面发射激光器，其特征在于，台面结构形成一个约为2000-3000范围的台阶。
6、根据权利要求4所述的高效率垂直腔面发射激光器，其特征在于，第一镜面层叠的直径至少二倍于台面结构的直径。
7、根据权利要求4所述的高效率垂直腔面发射激光器，其特征在于，一个电接触，连接该接触区，确定一个中央光发射窗口，光通过此窗口而发射，此窗口的直径范围约为5-50μm。
8、根据权利要求4所述的高效率垂直腔面发射激光器，其特征在于，该接触区是相位匹配于该腔。
9、根据权利要求4所述的高效率垂直腔面发射激光器，其特征在于，一个第二电接触，耦合到第一镜面。
10、一种制造高效率垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一个衬底；
在衬底上制作一个P型导电的第一镜面层叠；
在第一镜面层叠上制作一个腔；
在腔上制作一个n型导电的接触区；以及
在接触区上制作一个由沉积的介电材料组成的第二镜面层叠。
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