CN1295827C - 矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件 - Google Patents

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Abstract

本发明一种矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，包括以下基本结构：共m×n个垂直腔面发射激光器单元；其中所述的垂直腔面发射激光器单元包括尺寸依次递减的三个台：底反射镜台、光腔台、和顶反射镜台，还有p电极和n电极；该光腔台制作在底反射镜台之上，该顶反射镜台制作在光腔台之上；该p型电极制作在p型重掺杂导电层上、顶反射镜台周围，且每行垂直腔面发射激光器单元的p电极相连；该n型电极呈环形制作在n型重掺杂导电层上、光腔台周围，且每列垂直腔面发射激光器单元的n电极相连。

Description

矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件
技术领域：
本发明涉及一种光电子集成器件，特别是一种新型矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件。
背景技术：
二维阵列的平行光技术有着广泛的应用前景。用二维平行光束来处理二维图像信息时，不必变换成时序信号，可以提高处理速度；可以发展超宽带光纤通信；可以实现超大规模集成电路的光互连；有可能成为未来计算机并行处理及空间光学中的关键技术与器件。边发射激光器(包括FP、DFB类型的边发射激光器)无法实现单片集成的二维阵列，而面发射激光器的光是垂直于基片向上发射，有可能实现单片集成的二维阵列。
面发射激光器有三种基本结构，第一种是利用现有的边发射激光器的工艺结构，采用45°角倾斜的反射镜将光方向改变到垂直出射。第二种也是利用现有的边发射激光器的工艺结构，利用高阶光栅将光耦合到垂直输出。第三种则是利用垂直腔结构，有源区两侧的包层采用高反射率的镜面使光垂直发射。第一种结构工艺制作困难，第二种结构由于发射光大部分进入衬底而使效率很低。第三种结构具有一系列的优点：容易实现低阈值、高微分量子效率；光束发散角小，光斑呈近似圆形，容易与光纤和其他光学器件耦合；动态单模特性和空间发射模特性好；侧向尺寸很小，有可能制造尺寸较大的高密度单片集成二维阵列，因此，垂直腔面发射激光器是最有发展前途和最有实用价值的面发射激光器。而半导体布拉格反射器(布拉格反射镜)由于具有跟有源区材料兼容性好的优点，广泛用于垂直腔面发射激光器的制作。
跟边发射激光器一样，传统垂直腔面发射激光器的电流注入，是垂直注入方式。这种注入方式有一个缺点，就是由于布拉格反射镜的电阻比较大，电流流过时会产生大量热量，致使布拉格反射镜温度升高，折射率变化，导致峰值反射率对应波长漂移，影响垂直腔面发射激光器的激射特性。在长波长垂直腔面发射激光器中，这个问题尤为严重，因为长波长激光器的布拉格反射镜层数较多、电阻较大。而采用腔内电极，电流水平注入有源区，可以有效解决这一问题。文献InAs-InGaAs quantum dot VCSEL onGaAs substrates emitting at 1.3μm，Electronics Letter 36(2000)，pp1384-1385有过报道。采用腔内电极还有另外一个优点，就是布拉格反射镜可以采用半导体材料/半导体材料的氧化物结构，由于这种结构的两种材料的折射率差较大，可以减少所需布拉格反射镜的层数。
垂直腔面发射激光器的二维阵列按其寻址方式分，有独立寻址和矩阵寻址两种。独立寻址阵列制造工艺简单，均匀性和成品率可以很高，但是由于每一个单元由需要一个独立的引线控制，一个n×m的阵列需要引线n×m条，而受芯片面积限制，引线数目不可能太多，阵列单元的数目也就不可能太多。文献Ultralow-threshold sapphire substrate-bondedtop-emitting 850-nm VCSEL array Liu，J.J.；Riely，B.；Shen，P.H.；Das，N.；Newman，P.；Chang，W.；Simonis，G.；Photonics Technology Letters，IEEE，Volume：14Issue：9，Sep 2002 Page(s)：1234-1236上有报道。而矩阵寻址采用行地址和列地址共同控制的方式，一个n×m的阵列只需要引线n+m条，所以能集成更多数目的单元。但是矩阵寻址阵列的结构比较复杂，不容易实现。
矩阵寻址阵列制作的难点之一在于其n电极的制作。现有矩阵寻址阵列n电极的隔离大体上有下面几种方法：刻蚀深槽隔离；刻蚀深槽并在深槽中填充聚酰亚胺隔离；离子注入隔离。外延层一般都是在半绝缘衬底上生长。最近开始出现利用键合技术，把器件制作在绝缘衬底上。文献Fabrication of 12×12matrix-addressed 780nm oxide-confinedVCSEL arrays Nakayama，H.；Nakmaura，T.；Sakurai，J.；Ueki，N.；Otoma，H.；Miyamoto，Y.；Yamamoto，M.；Ishii，R.；Yoshikawa，M.；Fuse，M.；BroadbandOptical Networks and Technologies：An Emerging Reality/OpticalMEMS/Smart Pixels/Organic Optics and Optoelectronics.1998IEEE/LEOS Summer Topical Meetings，20-24July 1998Page(s)：IV/5-IV/6和文献Fabrication and Performance of Two-DimensionalMatrix Addressable Arrays of Integrated Vertical Cavity Lasers and ResonantCavity Photodetectors，Kent M.Geib，Kent D.Choquette，Senior Member，IEEE，Darwin K.Serkland，Member，IEEE，Andrew A.Allerman，and Terry W.Hargett，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.8，No.4，July/August 2002上有报道。目前的这几种制作方法都有一个显著的缺点，即对工艺要求比较高，工艺难度大而且可靠性和可重复性都很低。
发明内容：
本发明目的在于提供一种矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其具有制作简单、性能可靠和成本低的优点。
本发明的技术方案为：
本发明一种矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，包括以下基本结构：
共m×n个垂直腔面发射激光器单元；
其中所述的垂直腔面发射激光器单元包括尺寸依次递减的三个台：底反射镜台、光腔台、和顶反射镜台，还有p电极和n电极；
该底反射镜台包括：
一半绝缘衬底；
一下半导体和半导体氧化物布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在衬底上表面，为载流子复合产生的光子提供垂直反射镜面，同时隔离阵列各行n电流；
一n型重掺杂导电层，该n型导电层制作在下布拉格反射镜上，以提供n电流的侧向注入通道；
该光腔台包括：
一n型掺杂下含铝层；
一不掺杂下限制层，该限制层制作在下含铝层上，以提供载流子限制；
一不掺杂有源层，该有源层制作在下限制层上，载流子在其中复合发光；
一不掺杂上限制层，该上限制层制作在有源层上，以提供载流子限制；
一p型掺杂上含铝层，该上含铝层制作在上限制层上，并且被部分氧化，为注入p电流提供侧向限制；
一p型重掺杂导电层，该导电层制作在上含铝层上，以提供p电流的侧向注入通道；
该顶反射镜台包括：
一上半导体和半导体氧化物布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在p型重掺杂导电层上，为载流子复合产生的光子提供垂直反射镜面，同时隔离阵列各行p电流；
该p型电极呈环形，制作在p型重掺杂导电层上、顶反射镜台周围，且每行垂直腔面发射激光器单元的p电极相连；
该n型电极呈环形，制作在n型重掺杂导电层上、光腔台周围，且每列垂直腔面发射激光器单元的n电极相连。
其中为了能够向有源区充分提供载流子，所述的p型重掺杂导电层和n型重掺杂导电层的厚度为0.75倍、1.25倍或1.75倍器件的发射波长。
其中所述的n型掺杂下含铝层和p型掺杂下含铝层，其厚度均为0.25倍器件的发射波长，其中铝的组分对于磷化铟系材料要大于0.46，即：对InP/AlxIn1-xAs结构，X＞0.46，对于砷化镓系材料要大于0.9，即：对GaAs/AlyGa1-yAs结构，Y＞0.9。
其中所述的p型电极，对于阵列的每一行的各垂直腔面发射激光器单元的p型电极是并联的。
其中所述的p型电极，是钛/铂/金电极，或金/锌/金电极。
其中所述的n型电极，对于阵列的每一列的各垂直腔面发射激光器单元的n型电极是并联的。
其中所述的n型电极，是金/锗/镍电极。
其中所述的上布拉格反射镜和下布拉格反射镜，氧化前其材料是多层砷化镓/铝镓砷，铝的组分小于0.99且大于0.9，即：对GaAs/AlyGa1-yAs结构，Y＜0.99且Y＞0.9，以减弱氧化材料的体积压缩效应，同时保证一定的氧化速度；或多层磷化铟/铟铝砷，铝的组分大于0.46，即：InP/AlxIn1-xAs结构，X＞0.46，以保证一定的氧化速度。
本发明的特点是，
第一，垂直腔面发射激光器阵列单元的正负两个电极采用腔内电极，即同有源区两侧的高掺杂导电层直接接触，并通过它向有源区注入载流子以复合发光。同普通采用外电极即电极加在p型布拉格反射镜表面和n型衬底背面的垂直腔面发射激光器相比，避免了电流流过电阻较大的布拉格反射镜区，从而避免了大量发热而造成布拉格反射镜反射峰值波长的漂移；
第二，本发明采用多层半导体/半导体氧化物的布拉格反射镜，可以以较少的层数实现较高的反射率，从而对难度较大的布拉格反射镜材料的生长降低了要求；
第三，阵列的行电极和列电极由于采用腔内电极，而腔外的布拉格反射镜含有绝缘层(半导体氧化物)，容易实现正负电极的隔离和各单元电极的隔离；
第四，阵列采用矩阵寻址，可以以较少的电极引线数目实现较多单元的寻址。
附图说明：
为进一步说明本发明的结构，下面结合实施例，对本发明作详细描述，其中：
图1为本发明的器件的阵列单元俯视示意图，
图2为本发明的器件的阵列俯视示意图，
图3为本器件的剖视示意图。
具体实施例：
本实施例共包括8行8列共8×8个垂直腔面发射激光器单元(见附图3)；
下面结合图1和图2，说明本发明实施例的基本结构。
每个垂直腔面发射激光器单元包括尺寸依次递减的三个台：底反射镜台10、光腔台20、和顶反射镜台30，还有p电极40和n电极50；
其中底反射镜台10包括：
一半绝缘衬底11；
一砷化镓/氧化铝下布拉格反射镜12；
一n型重掺杂砷化镓导电层13；
光腔台20包括：
一n型掺杂下铝镓砷层21；
一不掺杂砷化镓下限制层22；
一不掺杂砷化镓/铝镓砷多量子阱有源层23；
一不掺杂砷化镓上限制层24；
一p型掺杂上铝镓砷层25；
一p型重掺杂砷化镓导电层26；
顶反射镜台30包括：
一砷化镓/氧化铝上布拉格反射镜31。
请参阅图1，其中所述的半绝缘砷化镓衬底11是掺铁的。
其中所述的砷化镓/氧化铝下布拉格反射镜12制作在半绝缘砷化镓衬底11上表面，为载流子复合产生的光子提供垂直反射镜面，同时隔离阵列各行n电流，是由7对砷化镓/氧化铝组成，每对砷化镓/氧化铝中砷化镓的厚度是58.5纳米，氧化铝的厚度是130.3纳米；所述的n型重掺杂砷化镓导电层13制作在砷化镓/氧化铝下布拉格反射镜12上，以提供n电流的侧向注入通道，是掺硅的，浓度是3×1019cm-3，厚度是175.5纳米。
其中所述的n型掺杂下铝镓砷层21制作在n型重掺杂砷化镓导电层13上，并且被部分氧化，为注入n电流提供侧向限制，其未氧化部分铝含量为0.96，是掺硅的，浓度是1×1018cm-3，厚度是69.9纳米，形成大约4微米的电流通道；不掺杂铝镓砷下限制层22制作在n型掺杂下铝镓砷层21上，以提供载流子限制，铝含量为0.5，厚度是101.4纳米；有源层23制作在不掺杂铝镓砷下限制层22上，载流子在其中复合发光，由3对不掺杂量子阱和垒组成，其中量子阱均是8纳米的砷化镓，垒均是10纳米的铝镓砷(铝含量为0.3)；不掺杂砷化镓上限制层24制作在有源层23上，以提供载流子限制；铝含量为0.5，厚度是101.4纳米；p型掺杂上铝镓砷25制作在不掺杂砷化镓上限制层24上，并且被部分氧化，为注入p电流提供侧向限制，其未氧化部分铝含量为0.96，是掺硅的，浓度是1×1018cm-3，厚度是69.9纳米，形成大约4微米的电流通道；p型重掺杂砷化镓导电层26制作在p型掺杂上铝镓砷25上，以提供p电流的侧向注入通道，是掺碳的，浓度是3×1019cm-3。
其中所述的砷化镓/氧化铝上布拉格反射镜31制作在p型重掺杂导电层26上，为载流子复合产生的光子提供垂直反射镜面，同时隔离阵列各行p电流；是由5.5对砷化镓/氧化铝组成，每对砷化镓/氧化铝中砷化镓的厚度是58.5纳米，氧化铝的厚度是130.3纳米；
请参阅图1及图2，其中所述的p型电极40，呈环形，制作在p型导电层26上、顶反射镜台30周围，是金/锌/金，或者是钛/铂/金电极，并且每行垂直腔面发射激光器单元的p型电极相连；n型电极50，呈环形，制作在n型导电层13上、光腔台20周围，是金/锗/镍电极，并且每列垂直腔面发射激光器单元的n电极相连。
本发明与现有的垂直腔面发射激光器阵列相比，本发明的垂直腔面发射激光器阵列单元采用腔内电极，避免了电流流过电阻较大的布拉格反射镜区大量发热而引起布拉格反射镜反射峰值波长的漂移，提高了器件可靠性；采用多层砷化镓/氧化铝(或磷化铟/氧化铟铝)的布拉格反射镜，可以以较少的层数实现较高的反射率，降低了对布拉格反射镜的材料生长要求，降低了器件成本同时也简化了后期工艺难度；阵列的行电极和列电极由于采用腔内电极，容易实现电极隔离和单元隔离；阵列采用矩阵寻址，可以以较少的电极引线数目实现较多单元的寻址。总体来讲，本发明方案容易实现，涉及工艺简单，需求设备低，器件成本低而可靠性高，有广阔的市场前景。

Claims (8)

1.一种矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，包括以下基本结构：
共m×n个垂直腔面发射激光器单元；
其中所述的垂直腔面发射激光器单元包括尺寸依次递减的三个台：底反射镜台、光腔台、和顶反射镜台，还有p电极和n电极；
该底反射镜台包括：
一半绝缘衬底；
一下半导体和半导体氧化物布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在衬底上表面，为载流子复合产生的光子提供垂直反射镜面，同时隔离阵列各行n电流；
一n型重掺杂导电层，该n型导电层制作在下布拉格反射镜上，以提供n电流的侧向注入通道；
该光腔台包括：
一n型掺杂下含铝层；
一不掺杂下限制层，该限制层制作在下含铝层上，以提供载流子限制；
一不掺杂有源层，该有源层制作在下限制层上，载流子在其中复合发光；
一不掺杂上限制层，该上限制层制作在有源层上，以提供载流子限制；
一p型掺杂上含铝层，该上含铝层制作在上限制层上，并且被部分氧化，为注入p电流提供侧向限制；
一p型重掺杂导电层，该导电层制作在上含铝层上，以提供p电流的侧向注入通道；
该顶反射镜台包括：
一上半导体和半导体氧化物布拉格反射镜，该布拉格反射镜制作在p型重掺杂导电层上，为载流子复合产生的光子提供垂直反射镜面，同时隔离阵列各行p电流；
该p型电极呈环形，制作在p型重掺杂导电层上、顶反射镜台周围，且每行垂直腔面发射激光器单元的p电极相连；
该n型电极呈环形，制作在n型重掺杂导电层上、光腔台周围，且每列垂直腔面发射激光器单元的n电极相连。
2.根据权利要求1所述的矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，其中为了能够向有源区充分提供载流子，所述的p型重掺杂导电层和n型重掺杂导电层的厚度为所述阵列器件发射波长的0.75倍、1.25倍或1.75倍。
3.根据权利要求1所述的矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，其中所述的n型掺杂下含铝层和p型掺杂下含铝层，其厚度均为所述阵列器件发射波长的0.25倍，其中铝的组分对于磷化铟系材料要大于0.46，即：对InP/AlxIn1-xAs结构，X＞0.46，对于砷化镓系材料要大于0.9，即：对GaAs/AlyGa1-yAs结构，Y＞0.9。
4.根据权利要求1所述的矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，其中所述的p型电极，对于阵列的每一行的各垂直腔面发射激光器单元的p型电极是并联的。
5.根据权利要求1或4所述的矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，其中所述的p型电极，是钛/铂/金电极，或金/锌/金电极。
6.根据权利要求1所述的矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，其中所述的n型电极，对于阵列的每一列的各垂直腔面发射激光器单元的n型电极是并联的。
7.根据权利要求1或6所述的矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，其中所述的n型电极，是金/锗/镍电极。
8.根据权利要求1所述的矩阵寻址的垂直腔面发射激光器阵列器件，其特征在于，其中所述的上布拉格反射镜和下布拉格反射镜，氧化前其材料是多层砷化镓/铝镓砷，铝的组分小于0.99且大于0.9，即：对GaAs/AlyGa1-yAs结构，Y＜0.99且Y＞0.9，以减弱氧化材料的体积压缩效应，同时保证一定的氧化速度；或多层磷化铟/铟铝砷，铝的组分大于0.46，即：InP/AlxIn1-xAs结构，X＞0.46，以保证一定的氧化速度。
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