CN1235320C - 表面发射半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

表面发射半导体激光器包括：衬底；在衬底上形成的第一导电类型的下半导体多层镜；第二导电类型的上半导体多层镜；设置在下和上半导体多层镜之间的有源区；设置在下和上半导体多层镜之间的电流限制部分；和设置在上半导体多层镜上的金属层，形成有至少包括上半导体多层镜、电流限制部分和金属层的台面结构，该台面结构具有与金属层对准的侧表面。

Description

表面发射半导体激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及用作光信息处理和光通信的光源的表面发射半导体激光器及这种激光器的制造方法。更特别地，本发明涉及具有稳定的横向模式、低阈值电流和改善的可靠性的表面发射半导体激光器及其制造方法。
背景技术
近些年来，对能够容易实现光通信和光互连技术领域中的光源阵列的表面发射半导体激光器的需求一直在增长。今后，将表面发射半导体激光器定义成包括表面发射激光器本身和使用激光器的装置两者。多重光源能平行传输(平行处理)数据，因此显著提高传输容量和速率。
已经知道，表面发射半导体激光器具有低阈值电流和小功耗的优点，而另一方面具有作为增益媒介的有源区的小体积(与边缘发射激光器的体积的1/100一样小)。因此，表面发射半导体激光器具有在提高功率上的困难。在表面发射半导体激光器中，来自一个光点的有效光功率仅具有几毫瓦至最多十毫瓦。
将表面发射半导体激光器分成具有增益波导结构的光子注入型和具有折射率波导结构的选择性氧化型。现今，后者正成为主流。
选择性氧化型半导体激光器装备有台面结构的激光器部分，并对设置在有源层附近的多层反射镜的一部分进行氧化，以便增加电阻系数并减小折射率，这将产生用于电流限制的光波导。强光限制效应减小了阈值电流并提高了响应度。
为了在零次基本模式中使作为实际使用上的重要特征项的横向振荡模式稳定化，需要减小在电流限制区中的非氧化区(其相应于电流路径)的小孔直径，典型地减小至4μm或更小。然而，在这种情况下有效的光输出被减小至1毫瓦。
已经提出了一种建议，用于在选择性氧化型表面发射半导体激光器中处理横向模式的稳定化和提高功率之间的折衷问题。这一建议在例如日本未审专利公开号No.2000-332355中被详细描述。
该公开中提出一种具有新结构的表面发射半导体激光器，其利用一种现象，即：在基本横向振荡模式中的最强光强度在光波导的光轴(其紧靠着台面结构的电流限制部分的中心并被设置在垂直于衬底的方向上)上发展，而高次横向振荡在远离光轴的位置发展。在形成在上多层反射镜上的上电极中形成开口或小孔。将与上电极接触的多层反射镜的折射率制作得比经由小孔暴露的多层反射镜的折射率小。
上电极中的小孔的直径和电流限制部分(非氧化区)的直径由多层反射镜的折射率的减小程度来决定。意图减小共振器的折射率来增加在该位置中的高次横向模式的光损失并因此抑制振荡，其中在高次横向模式中可得到最强强度。这意味着通过控制两个参数，即，电流限制部分(非氧化区)的直径和上电极中小孔的直径，使横向模式成为基本模式。值得注意的是，通常，仅将电流限制部分的直径用于将横向振荡模式变成基本模式。两个参数的使用有助于抑制高次横向模式并增加基本横向模式，同时减小基本横向模式的损失。
下面的文献解决了上述问题：H.J.Unold et al.，“Increased-areaoxidized single-fundamental mode VCSEL with self-aligned shallow etchedsurface relief”，ELECTRONICS LETTERS 5th August 1999，Vol.35，No.16。该文献讲述一种在p型DBR和三层的光致抗蚀剂的表面上形成浅凹槽的自对准技术被用于提高凹槽与非氧化区的小孔的对准精确度。
根据日本未审专利公开No.2000-332355中描述的教导，必须将在上多层反射镜上的上电极中的小孔和电流限制部分的非氧化区(电流路径)的中心轴定位。如果上电极中的小孔在定位中偏离非氧化区的中心轴，在基本横向模式中获得的振荡将被过分地抑制。这不可以充分地抑制高次横向模式。
为了避免上述问题，除了提高定位光掩模的精确度以外没有其它方法。即使当光掩模被细微调节同时观察定位于其上的定位掩模时，细微调节的精确度仅0.5±μm，即使是熟练的技术人员。在实际操作中，大于上述精确度的偏离经常发生。
由H.J.Unold et al.提出的表面发射半导体激光器使用需要在DBR表面上刻蚀凹槽的三层的自对准技术。因此很难可靠且精确地形成刻蚀凹槽。
最终，常规的表面发射半导体激光器具有非常依赖于处理条件的特征。
发明内容
考虑到上述情况，发明本发明并提供表面发射半导体激光器及其制造方法。
更特别地，本发明提供能够在基本横向模式振荡中产生稳定的激光输出的表面发射半导体激光器，及其制造方法。
根据本发明的一个方面，表面发射半导体激光器包括：衬底；在衬底上形成的第一导电类型的下半导体多层镜；第二导电类型的上半导体多层镜；设置在下和上半导体多层镜之间的有源区；设置在下和上半导体多层镜之间的电流限制部分；和设置在上半导体多层镜上的金属层，形成有至少包括上半导体多层镜、电流限制部分和金属层的台面结构，该台面结构具有与金属层对准的侧表面，其中电流限制部分位于有源区之上。
根据本发明的再一方面，制造表面发射半导体激光器的方法包括步骤：在衬底上形成多个半导体层，多个半导体层包括第一和第二半导体镜、电流限制层和有源层；在多个半导体层上形成金属层；将金属层形成为预定形状；通过刻蚀对多个半导体层进行整形，以便形成至少从第二半导体镜延伸至电流限制层的台面结构；和将台面结构暴露在水蒸汽气氛中以便形成作为电流限制层的一部分的氧化区。
根据本发明的再一方面，制造表面发射半导体激光器的方法包括步骤：在衬底上形成多个半导体层，多个半导体层包括第一和第二半导体镜、电流限制层和有源层；在多个半导体层上形成金属层；在金属层上形成绝缘层；将绝缘层和金属层构图成预定形状；利用构图的绝缘层和构图的金属层各向异性刻蚀多个半导体层以便形成至少从第二半导体镜延伸至电流限制层的台面结构；和将台面结构暴露在水蒸汽气氛中以便形成作为电流限制层的一部分的氧化区。
附图说明
结合附图阅读下面的详细描述，本发明的其它目的、特色和优点将更加显而易见，其中：
图1A是根据本发明实施例的表面发射半导体激光器的剖面图；
图1B是图1A中示出的半导体激光器的平面图；
图2A至2K是说明图1A和1B中示出的半导体激光器的制造方法的步骤的剖面图。
具体实施方式
通过参考附图将给出本发明实施例的详细描述。
图1A是根据本发明实施例的表面发射半导体激光器的剖面图，而图1B是它的平面图。图1A的剖面图是沿图1B中示出的线X-X截取的。表面发射半导体激光器100是一种装备有圆柱台面结构的激光器部分101的选择性氧化型激光器，圆柱台面结构可以被称作为柱体结构或柱状结构。在图1A中，为了简化，没有显示激光器部分101上涂覆的保护模和从金属接触层延伸的键合片部分。
半导体激光器具有n型GaAs衬底1、设置在衬底1上的n型下多层反射镜2和设置在下多层反射镜2上的有源区3。有源区3是未掺杂隔离层、未掺杂量子阱层和未掺杂阻挡层的叠层。将电流限制部分4形成在有源区3上。电流限制部分4包括限定出设置在中心处的圆形光开口或小孔的AlAs部分4a和设置在AlAs部分4a周围的AlAs氧化区4b。AlAs氧化区4b限制电流和光，还可以减小寄生电容。在电流限制部分上设置p型上多层反射镜5。在p型上多层反射镜5上设置p型接触层6。
将具有环形形状的第一金属接触层7(金属层)设置在接触层6上。第一金属接触层7具有圆形激光发射窗口7a。窗口7a的中心大约与垂直于衬底1的光轴一致并通过台面结构101的中心。电流限制区4的AlAs部分4a的中心大约与光轴一致。也就是，AlAs部分4a和激光发射窗口7a对准。设置层间绝缘膜8以覆盖台面结构101的侧面和底表面以及第一金属接触层7的上表面的一部分。第二金属接触层9，作为p侧电极，通过层间绝缘膜8与台面结构101的侧表面和第一金属接触层7的侧表面隔离。第二金属接触层9与台面结构101顶表面上的第一金属接触层7的表面连接。在衬底1的背表面上设置N侧背表面电极10。
下多层反射镜2由n型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.3Ga0.7As层的多对组成。每一层为λ/4nr厚，这里λ是振荡波长而nr是介质的折射率。具有不同成份比(composition ratio)的成对的层交替叠置到40.5周期的厚度。在掺入n型杂质硅之后的下多层反射镜2的载流子浓度是3×1018cm-3。
上多层反射镜5由p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.3Ga0.7As层的多对组成。每一层为λ/4nr厚，这里λ是振荡波长而nr是介质的折射率。具有不同成份比的成对的层交替叠置到30周期的厚度。在掺入p型杂质碳之后的上多层反射镜5的载流子浓度是5×1018cm-3。上多层反射镜5的最下层5a由AlAs而不是Al0.9Ga0.1As制成，因为通过后续工艺将最下层5a变成电流限制部分4。
为了减小激光器的串联电阻，特别地，将一个中间(递变(graded))层插入上多层反射镜5的p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.3Ga0.7As层之间，中间层具有在p型Al0.9Ga0.1As层的成份比和p型Al0.3Ga0.7As层的成份比之间的中间成份比。为了简化的缘故，不再说明上述中间层。
有源区3具有量子阱结构，在该量子阱结构中，交替地层叠具有8nm厚度的未掺杂Al0.11As0.89GaAs量子阱层的量子阱层和具有5nm厚度的未掺杂Al0.3Ga0.7As层的阻挡层。将有源区3设计成具有780nm波长的光发射。由未掺杂Al0.6Ga0.4As层形成的作为用于形成有源区3中的一层的隔离层在其中心包括量子阱结构。整个隔离层具有的膜厚同λ/nr的整数倍一样大，这里λ是振荡波长而nr是介质的折射率。
接触层6接触一个电极，经由该电极提供电流。接触层为p型GaAs层且为20nm薄，在其掺入作为p型杂质的锌之后具有1×1020cm-3的载流子浓度。第一金属接触层7是Au-Zn的叠层。优选地，将用第一金属层7覆盖的接触层6的部分的折射率制造得比经由激光发射窗口7a暴露的部分的折射率小。通过减小远离光轴的位置中的反射率来抑制高次横向模式的发生，以便可以稳定地发射基本横向模式的激光。减小反射率的方法已在例如日本未审专利公开No.2000-332355中公开。
在表面发射半导体激光器100中，台面结构101(激光器部分)的侧表面102与第一金属接触层7的外部形状对准。台面结构的侧表面对应于除层间绝缘层8之外的台面结构的侧表面。台面结构的侧表面与第一金属接触层7的对准意味着包括在台面结构中的有源区3、电流限制部分4、上多层反射镜5、接触层6和第一接触层7的侧表面都对齐。当台面结构受选择性氧化时，电流限制部分4从其侧表面被氧化以便形成氧化物区4b，同时剩余的非氧化区，即，AlAs部分4a的小孔与激光发射窗口7a对准。这样，AlAs部分4a的小孔的中心和窗口7a的中心大约与台面结构的中心(光轴)一致。
现在将给出上述提及的根据本发明实施例的表面发射半导体激光器的制造方法的详细描述。从生长室移出晶片，该晶片由依序层叠在半导体衬底1上的下多层反射镜2、有源区3、电流限制部分4、上多层反射镜5和接触层6组成。如图2A中所示，用由Au-Zn制成的第一金属接触层7和设置在其上的SiON层21覆盖整个晶片表面。随后，用光刻技术形成具有5-10μm的内径和20-30μm的外径的光致抗蚀剂22。
用光致抗蚀剂22作掩模，依次序刻蚀SiON层21和Au-Zn层7，以便暴露接触层的中心和周围部分，如图2B中所示。光致抗蚀剂22的去除产生了由构图的Au-Zn接触层7和构图的SiON层21(第一掩模材料)组成的环状刻蚀掩模23。
接着，用RF溅射来淀积SiNx层24作为第二掩模材料。然后，如图2C中所示，形成比由Au-Zn层7和SiON层21构成的环状刻蚀掩模的外径小1-2μm而比其内径充分大的圆形光致抗蚀剂25。用这样形成的光致抗蚀剂25刻蚀SiNx层24，如图2D中所示。在这一刻蚀中，可以部分地刻蚀下面的SiON层21。然而，只要没有完全除去SiON层21，就不会有任何问题发生。优选地，使用在SiNx和SiON之间有选择性的且能够有效地去除SiNx的刻蚀。通过除去光致抗蚀剂25，可以得到具有环状刻蚀掩模23和叠加于其上的SiNx层(第二掩模材料24)的刻蚀掩模26。刻蚀掩模23由Au-Zn层7和SiON层21的构图叠层构成。
通过反应离子刻蚀(RIE)用刻蚀掩模26各向异性地刻蚀该叠层。如图2E中所示，p型GaAs接触层6、上多层反射镜5、电流限制部分4和有源区3被除去以便形成柱体状结构。上多层反射镜5是每一对具有p型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.3Ga0.7As层的成对叠层。可以执行刻蚀以便刻蚀下多层反射镜2的一部分。
通过上述刻蚀形成的台面结构具有与刻蚀掩模26的形状相应的形状。更具体地说，台面结构的侧表面102与环状刻蚀掩模23的外部形状或侧表面齐平。通过接触层7中的小孔暴露的接触层6被第二掩模材料24保护。
此后，晶片被放置在350℃水蒸汽气氛中大约20分钟。这就是所谓的湿法氧化。上多层反射镜5中的AlAs层从其外周边被部分地氧化。AlAs层的氧化部分变成高阻抗区4b，其作为电流限制部分4，其中在其中心形成AlAs部分4a的小孔，如图2F中所示。
由AlAs氧化物(高阻抗区)包围的AlAs部分4a的小孔的直径对于提高在基本横向模式振荡时的光输出很重要，并且需要考虑在Au-Zn的第一环状金属接触层中的光发射窗口7a来仔细选择该小孔的直径。
发明人进行的实验和在振荡模式之间的损耗评估显示出，当第一金属接触层7中的光发射窗口7a的直径等于电流限制部分4中的AlAs部分4a的小孔的直径或比其大约1μm时，基本横向振荡模式振荡的光输出被最大化。然后，实现窗口7a和AlAs部分4a的小孔之间的轴对准是很重要的。根据本发明的制造工艺应用自对准工艺很容易使轴对准，并具有下述步骤。
第一步骤利用通过光刻技术定位的高准确度，并决定在光刻阶段的环状的第一金属接触层7的内径和外径。
第二步骤通过作为第一掩模材料的SiON层21保护对应于第一金属接触层7的外径的部分。
第三步骤通过作为第二掩模材料的SiNx层24保护对应于第一金属接触层7的内径的部分。然后，刻蚀晶片以便暴露设置在上多层反射镜5的最下层中的AlAs层4。然后，晶片被退火以形成电流限制部分4。
限定出电流限制部分4的小孔以便把用光刻技术的精度限定的第一金属接触层7的外径用作基准点。这样，窗口7a和AlAs部分4a的轴以高定位精度对准。
参考图2G，除去被用作刻蚀掩模的SiON层21和SiNx层24。台面结构顶部上的周边部分被由Au-Zn制成的第一金属接触层7覆盖，并且接触层6经由设置在顶部中心的光发射窗口7a被暴露。
如图2H所示，除背面和侧表面之外的晶片(衬底)的整个表面被SiO2覆盖。这使得SiO2的层间绝缘层8至少覆盖柱体的侧表面和底表面。
通过刻蚀去除中间绝缘层8以便暴露出第一金属接触层7和光发射窗口7a的表面的一部分，如图2I中所示。然后，淀积Ti/Au以便接触Au-Zn的第一金属接触层7并对其构图以便限定出第二金属接触层9，如图2J中所示。第二金属接触层9作为p侧电极。
其后，将Au/Ge/Ni/Au的金属淀积在GaAs衬底1的背表面以便形成n侧背面电极10，如图2K中所示。然后，将衬底在大约300℃的氮和氢的合成气体中退火5分钟。这制成了第一金属接触层7和接触层6的合金，因此可以制造出如图1A和1B中所示的780nm波长的高功率表面发射半导体层。与第一金属接触层7制成合金的接触层6的部分具有比其暴露部分低的反射率。
在上述提及的本发明的实施例中，第一金属接触层7中的圆形小孔和电流限制部分4中的小孔具有圆形形状。此外，可以采用能够限定出旋转对称的中心或轴的任意形状，例如正方形、矩形、卵形、椭圆形，或偏菱形。即使在这种选择中，也可以提供相同的优点。当平面形状具有180°旋转后回到原始状态这样的对称时，例如矩形、卵形或椭圆形，还可以另外地控制发射光的偏振面。
在前述中，接触层6由GaAs制成。然而，接触层6并不限制于GaAs，还可以由例如GaInP制成。公知的，GaInP具有大约1.9eV的能带间隙并对从有源层发射的780nm波长的光透明。GaInP接触层具有比GaAs接触层小的光吸收并且更加有效。可以使用具有接近于半导体衬底的晶格常数(典型地，0.1％或者更小的晶格失配比)并允许从有源层发射的光从其中穿通的任意材料。
在前述中，上多层反射镜5为p型，而下多层反射镜2为n型。另选地，镜5可以为n型，而镜2可以为p型。通常，与n型层相比较，由于能带间断(禁带)和自由载流子(自由电子)对光的大量吸收，会担心p型层具有大的阻抗。因此，形成p型上多层反射镜5的层的增加的数目可能退化激光器的特性。根据上述观点，优选地使p型多层反射镜5的层的数目小于n型多层反射镜2的层的数目。
通过使用大于下多层反射镜2的层的数目的上多层反射镜5的层的数目，使得上多层反射镜5具有高于下多层反射镜2的反射率，可以从衬底1的背面发射光。根据另一观点，激光器部分的阻抗与面积成反比。因此，成形为柱体的上多层反射镜5可以作为增长激光器部分的电阻的因素。由此得出结论，对于相同的面积，优选地将n型上多层反射镜成形为柱体。
量子阱有源层3不仅限于上面提及的GaAs/AlGaAs半导体，还可以由GaAs/InGaAs半导体或GaAs/GaInNAs半导体制成。从这些量子阱发射出的光的波长对GaAs衬底透明，这样能够使光通过衬底的背面发射并带来制造工艺上的优势。
在前述中，把MOCVD用于晶体生长。另选地，分子束外延生长(MBE)也可以用于晶体生长。
在前述中，AlGaAs(包括AlAs层)在被加热到350的温度时被氧化。然而，氧化工艺不仅限于上面所述，还可以使用可被控制来限定出电流路径的希望尺寸的任意方法。随着温度的增加，氧化速率会被提高，因此可以在较短的时间周期内形成氧化区。
本发明并不仅限于具体描述的实施例，还包括其它实施例，改变和修改。在前述中，把接触层6和上多层反射镜当作彼此相互在功能上分离来处理。然而，接触层6可以形成上多层反射镜5的一部分。
根据本发明，在选择性氧化的表面发射激光器中，台面结构与上多层反射镜5的金属部分对准。这提高了激光器部分的各个部分的定位精度并抑制了高次横向模式振荡同时使基本横向模式振荡中的损耗最小化。通过自对准工艺可以实现这种激光结构，因此可以制造具有稳定的横向模式、低阈值电流和改善的可靠性的表面发射半导体层。
最后，从下面的各个方面概括本发明。下面给出的参考标记仅用于便利对本发明的理解，而下述结构元件不限于参考标记所给出的那些。
根据本发明的一个方面，表面发射半导体激光器包括：衬底(1)；形成在衬底上的第一导电类型的下半导体多层镜(2)；第二导电类型的上半导体多层镜(5)；设置在下和上半导体多层镜之间的有源区(3)；设置在下和上半导体多层镜之间的电流限制部分(4)；和设置在上半导体多层镜上的金属层(7)，形成有台面结构以使其至少包括上半导体多层镜、电流限制部分和金属层，台面结构具有和金属层对准的侧表面。因此可以至少精确地将包含在激光器部分的台面结构中的上半导体多层(5)和电流限制部分(4)的侧表面与金属层对准。这样，可以提高激光器部分的结构部分的定位精度，特别是金属层和电流限制部分的定位精度，这稳定了激光的发射。
可以构造表面发射半导体激光器以使台面结构的侧表面与限定金属层外部形状的表面对准。优选地，台面结构的侧表面与金属层的外部形状对准。金属层可以具有圆形或者矩形的外部形状。通过形成具有与金属层的外部形状相同形状的台面结构，可以精确地利用作为基准点的金属(电极)层的外部形状限定出电流路径(例如，选择性氧化区的位置)。优选地，通过用金属层作为掩模刻蚀而形成台面结构的侧表面。也就是说，把金属层作为掩模能使台面结构的自对准与金属层的形状相匹配。
优选地，金属层具有从其中发射激光的窗口，且由金属层覆盖的上半导体多层镜的折射率小于通过窗口暴露的上半导体多层镜的折射率。优选地，将窗口设置成与激光器部分的中心共心，且窗口的中心大约与激光器部分的光轴一致。通过把用金属层覆盖的上半导体层(上半导体多层镜的一部分)的反射率设置得比其中心部分的低，可以在高次横向模式中抑制与激光器的光轴远离的位置上的具有高强度的激光并稳定在基本横向模式中通过窗口发射的激光和减小用于发射的阈值电流。
优选地，将金属层与第二金属接触层(9)相连接，并将从第二金属接触层提供的电流经由金属层提供给上半导体多层镜。除发射激光的作用外，金属层(7)作为用于向激光器部分提供电流的触点(电极)。
优选地，台面结构包括：设置在台面结构的侧表面上的绝缘层(8)；设置在绝缘层上的第二金属接触层；且第二金属接触层通过绝缘层与台面结构的侧表面隔离。第二金属接触层包括延伸到金属键合片的导体路径，经由该金属键合片，可以将驱动电流施加到金属层。
优选地，电流限制部分包括通过从其侧表面选择性氧化台面结构而限定出的氧化区和被氧化区包围的非氧化区；并且由非氧化区限定出的小孔与窗口基本上对准。电流限制部分包括，例如，AlAs层。台面结构受水蒸汽气氛的作用，使得AlAs层从其侧壁被选择性氧化。这将产生氧化区(Al2O3)和非氧化区(AlAs)。台面结构具有与电极形状对准的侧表面。这样，氧化区(或非氧化区的小孔)与电极对准。这样，当使用掩模时，由电极形成的窗口和自对准的非氧化区的小孔并不存在对准误差。这样稳定了在基本横向模式中激光的振荡。此外，可以防止在制造工艺中的误对准并且简单地制造可靠的表面发射半导体激光器装置。
金属层中的窗口可以大于由非氧化区限定出的小孔(4a)。例如，如果金属层比小孔大1μm，可以获得相对高的激光输出。
金属层可以是含Au、Pt、Ti、Ge、Zn、Ni、In、W和ITO(铟锡氧化物)的至少一种的金属。这样，可以适当地减小作为与金属层接触的上多层镜的上半导体层的反射率。更为优选地，可以制成金属层和半导体层的合金。
上半导体多层镜可以具有接触层(6)，并且可以将金属层形成在接触层上。可以将金属层设置在上半导体多层镜上。无论如何，接触层作为半导体镜或者形成一个接触。在接触层上设置金属层。
根据本发明的又一方面，表面发射半导体激光器包括：衬底(1)；形成在衬底上的多个半导体层，多个半导体层包括第一导电类型的第一反射镜(2)、在第一反射镜上的有源区(3)、至少一个部分地包括氧化区的电流限制层(4)和第二导电类型的第二反射镜(5)；以及具有形成在多个半导体层上的光发射窗口(4a)的电极(6-9)，形成有台面结构以便至少包括第一反射镜、电流限制层和电极并且其至少从第二反射镜延伸到电流限制层，台面结构具有与电极的形状对应的形状。台面结构具有与具有窗口的电极的形状相匹配的形状。这样，包括在台面结构中的电流限制层中的氧化区与光发射窗口自对准。这防止了对准误差并产生具有高功率的稳定的基本横向模式的激光。
优选地，多个半导体层具有在第二反射镜上具有相对较高的杂质浓度的接触区(6)，并且将电极与接触层电连接。这样减小了串联电阻并减小了用于激光振荡的阈值电流。
优选地，可以利用一个欧姆接触将电极与接触层连接。在这种情况下，可以在约300℃至400℃通过退火制作合金。
通过用电极作为掩模刻蚀多个半导体层，使台面结构自对准。这样，将氧化区(非氧化区的小孔)与电极的光发射窗口自对准，这样避免了自对准误差。
优选地，台面结构具有圆柱形柱体结构。在这种情况下，电极至少具有圆形的外部形状或侧表面，且台面结构具有相似的形状。电极的矩形形状可以用于限定台面结构。
根据本发明的再一方面，制造表面发射半导体激光器的方法包括步骤：在衬底(1)上形成多个半导体层，多个半导体层包括第一和第二半导体镜(2，5)，电流限制层(4)和有源层(3)；在多个半导体层上形成金属层(7)；将金属层形成预定形状；用金属层作为掩模刻蚀多个半导体层以便形成至少从第二半导体镜延伸至电流限制层的台面结构；将台面结构暴露在水蒸汽气氛中以便形成作为电流限制层的一部分的氧化区(4a)。
根据上述提及的方法，用构图的金属层作为掩模刻蚀多个半导体层，且台面结构中的电流限制层被部分氧化。在电流限制层中的氧化区(或非氧化区)可以与构图的金属层对准。也就是说，可以将对电流限制起重要作用的金属层和电流限制层准确地定位，因此可以稳定高功率的基本横向模式的激光。
根据本发明的又一方面，制造表面发射半导体激光器的方法包括步骤；在衬底(1)上形成多个半导体层，多个半导体层包括第一和第二半导体镜(2，5)、电流限制层(4)和有源层(3)；在多个半导体层上形成金属层；在金属层上形成绝缘层(8)；将绝缘层和金属层构图成预定形状，；用构图的绝缘层和构图的金属层各向异性刻蚀多个半导体层，以便形成至少从第二半导体镜延伸到电流限制层的台面结构；将台面结构暴露在水蒸汽气氛中以便形成作为电流限制层的一部分的氧化区(4a)。金属层被绝缘层保护并在刻蚀中不受损。这种方法对金属层用作电极的情况有效。
优选地，该方法包括步骤：从金属层上去除绝缘层；在金属层上形成第二金属层。绝缘层保护金属层的表面不受例如在形成台面结构时的刻蚀剂的污染。然后，去除绝缘层。
优选地，将金属层和绝缘层构图成环状，并进一步提供在环状图形上形成第二构图的绝缘层的步骤，第二构图的绝缘层覆盖经由环状图形而被暴露的多个半导体层的上表面。这样可以抑制在远离台面结构中心的位置中具有相对较强的强度的高次横向模式振荡并发射基本横向模式的激光。另外，电流限制层中氧化区的尺寸与金属层的窗口对准，以便可以产生稳定的激光输出。
虽然展示和详细描述了本发明的少数优选实施例，但是本技术领域的技术人员应该理解，可以在本发明上进行改变而不脱离本发明的原理和精神，其范围由权利要求和它们的等同物限定。

Claims (21)

1.一种表面发射半导体激光器，包括：
衬底；
在衬底上形成的第一导电类型的下半导体多层镜；
第二导电类型的上半导体多层镜；
设置在下和上半导体多层镜之间的有源区；
设置在下和上半导体多层镜之间的电流限制部分；和
设置在上半导体多层镜上的金属层，
形成有至少包括上半导体多层镜、电流限制部分和金属层的台面结构，
该台面结构具有与金属层对准的侧表面，其中电流限制部分位于有源区之上。
2.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中台面结构的侧表面与用于限定金属层的外部形状的表面对准。
3.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中台面结构的侧表面是通过用金属层作为掩模刻蚀形成的。
4.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中：
金属层具有从中发射激光的窗口；和
由金属层覆盖的上半导体多层镜的反射率小于经由窗口暴露的上半导体多层镜的反射率。
5.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中：
将金属层与第二金属接触层连接；和
经由金属层向上半导体多层镜提供从第二金属接触层提供的电流。
6.根据权利要求5所述的表面发射半导体激光器，其中：
台面结构包括设置在侧表面上的绝缘层；
第二金属接触层被设置在绝缘层上；和
第二金属接触层通过绝缘层与台面结构的侧表面隔离。
7.根据权利要求4所述的表面发射半导体激光器，其中：
电流限制部分包括通过从其侧表面选择性氧化台面结构而限定出的氧化区，和被氧化区包围的非氧化区；以及
由非氧化区限定的小孔实质上与窗口对准。
8.根据权利要求7所述的表面发射半导体激光器，其中金属层中的窗口比由非氧化区限定的小孔大。
9.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中金属层包括至少含有Au、Pt、Ti、Ge、Zn、Ni、In、W、和ITO的一种的金属。
10.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中上半导体多层反射镜包括接触层，并且金属层被形成在接触层上。
11.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中金属层是具有光发射窗口的电极。
12.根据权利要求11所述的表面发射半导体激光器，其中：
上半导体多层镜包括接触层，所述电极设置在接触层上。
13.根据权利要求12所述的表面发射半导体激光器，其中电极通过欧姆接触与接触层接触。
14.根据权利要求11所述的表面发射半导体激光器，其中通过用电极作为掩模刻蚀多个半导体层来使台面结构自对准。
15.根据权利要求11所述的表面发射半导体激光器，其中台面结构具有圆柱形柱体结构。
16.一种制造表面发射半导体激光器的方法，包括步骤：
在衬底上形成多个半导体层，多个半导体层包括第一和第二半导体镜、电流限制层和有源层；
在多个半导体层上形成金属层；
将金属层形成为预定形状；
通过刻蚀对多个半导体层进行整形，以便形成至少从第二半导体镜延伸至电流限制层的台面结构；以及
将台面结构暴露在水蒸汽气氛中以便形成作为电流限制层的一部分的氧化区。
17.根据权利要求16所述的方法，其中多个半导体层包括在第二半导体镜上的接触层，且在接触层上形成金属层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中金属层包括至少含有Au、Pt、Ti、Ge、Zn、Ni、In、W、和ITO的一种的金属。
19.一种制造表面发射半导体激光器的方法，包括步骤：
在衬底上形成多个半导体层，多个半导体层包括第一和第二半导体镜、电流限制层和有源层；
在多个半导体层上形成金属层；
在金属层上形成绝缘层；
将绝缘层和金属层构图成预定形状；
用构图的绝缘层和构图的金属层各向异性刻蚀多个半导体层，以便形成至少从第二半导体镜延伸至电流限制层的台面结构；以及
将台面结构暴露在水蒸汽气氛中以便形成作为电流限制层的一部分的氧化区。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步地包括步骤：
从金属层上除去绝缘膜；和
在金属层上形成第二金属层。
21.根据权利要求19所述的方法，其中：
构图步骤将金属层和绝缘层构图成环状；并且
该方法进一步包括在环状图形上形成第二构图绝缘层的步骤，第二构图绝缘层覆盖经由环状图形暴露的多个半导体层的上表面。
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