CN1524328A - 垂直腔表面发射激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电泵激VCSEL及其制造方法。这种VCSEL包含一夹在顶部和底部DBR叠层之间的活性腔体材料，顶部DBR至少有一个n－半导体层。该器件在活性腔体材料结构表面和顶部DBR叠层的n－半导体层之间确定一个孔区。该结构表面是由台面的顶面形成的，台面至少包含p++/n++隧道结的上n++层和台面之外的p－型层表面。结构表面与DBR叠层的n－半导体层的表面由于它们的变形而相熔合，从而在各熔合表面之间的台面附近产生一个空气隙。活性区被电流孔确定，电流孔包含被空气隙包围的台面，因而可以限制电流流向活性区，而空气隙使得VCSEL中的折射率产生横向变化。

Description

垂直腔表面发射激光器及其制造方法
发明领域
本发明涉及垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，具体地说，是涉及电泵激的长波长VCSEL和多波长VCSEL阵列，以及其制造方法。
发明背景
VCSEL是一种包含夹在镜叠层之间的活性区的半导体激光器，此镜叠层可以是半导体分布式布拉格反射器(DBR)[N.M.Margalit等，“横向氧化长波长连续波垂直腔激光器”，Appl.Phys.Lett.，69(4)，1996，7，22，pp.471-472]，或一种半导体和电介质DBR的组合[Y.Oshio等，“带晶片熔合铟镓砷磷/铟磷镓砷/铝砷DBR的1.55微米VCSEL”，Electronics Letters，Vol.32，No.16，1966，8，1]。镜叠层之一通常是部分反射的以通过一部分相干光，后者是在夹着活性区的镜叠层所形成的谐振腔内产生的。VCSEL是由流过活性区的电流激励的。镜叠层一般是由一个材料系的多个层对形成的，材料系通常由两种材料组成，它们具有不同的折射率并容易与VCSEL其它部分在晶格上相匹配。例如，以镓砷为基础的VCSEL一般采用铝砷/镓砷或铝镓砷/铝砷材料系，其中一个层对中每一层的不同折射率是通过改变该层对内的铝含量来实现的。
VCSEL是通信应用中广为接受的优选光源，这是因为它具有以下的优良特性：由VCSEL产生的单模信号容易与光纤耦合，发散度低，而且在工作中具有固有的单频性。
由于VCSEL很小的特征，通常对于VCSEL来说，对VCSEL工作的一个重要的要求是补偿少量的增益媒质。这与下面的事实有关：为了达到激发的阈值，VCSEL的总增益必须等于VCSEL的总光学损耗。为了补偿少量增益媒质，并且能达到并维持激发阈值，一般是将具有99.5％以上反射率值的一个或两个镜叠层的晶片熔合用于活性区。晶片熔合是一种工艺，它通过施加压力和热量造成一个真正的物理熔合而使具有不同晶格常数的材料在原子上相结合。
发射长波长光的VCSEL在光通信产业非常有用。长波长VCSEL可利用具有铟镓砷/铟镓砷磷活性腔体材料的VCSEL来得到，这时必须采用铟磷/铟镓砷磷材料系作镜叠层，以实现与铟磷的晶格匹配。但是，这种系统实际上不可能得到具有足够高反射率的以DBR为基础的镜子，因为在这种材料中折射率存在小的差别。人们已从多方面努力试图解决这个问题，包括晶片熔合技术，其中在一个分离的衬底上生长DBR镜并熔合到活性区内。
对VCSEL基模工作和与单模光纤光耦合的另一个重要要求，是电流限制和光学限制。为了减小VCSEL的光发射面积(实际上至5-10微米)，可通过含铝层的横向氧化对电流流通孔(电流孔)加以限制，这也使得这些器件的基光学模工作的横向折射率产生变化。在这类横向氧化技术中，一个台面被蚀刻到VCSEL晶片的顶面上，且含铝层(通常是铝镓砷层)外露的侧壁被暴露在升高温度的水蒸汽中，水蒸汽的暴露引起铝镓砷转变为AlGaOx，这种转变发生在从侧壁至中心垂直轴线的某个距离内(与氧化持续时间有关)。电流孔的形成确定了器件的活性区，区内有活性腔体材料，其中有电流流动并产生光，而横向折射率的变化可以对发射光的模式结构进行控制。这种方法可用于实际上所有的短波长铝镓砷/镓(铟)砷(磷)VCSEL(即在0.65-1.1微米间的发射)，而且也可用于长波长VCSEL(即在1.25-1.65微米间的发射)，后者可能包含在与活性区同样的材料系中生长的DBR镜[S.Rapp等，“带铟镓砷磷/铟磷底镜的电泵激1.55微米垂直腔激光器的近室温连续波工作”，Electronics Letters，Vol.35，No.1，1999，1，7]，和以铝镓砷为基础的DBR，它是生长[W.Yuen等，“高性能1.6微米单外延顶面发射VCSEL”，Electronics Letters，Vol.36，No.13，2000，6，22]或将晶片熔合在生长于铟磷上的活性腔体材料上形成的(如前面引用的N.M.Marglit等人的文章所述)。但是，这种方法将造成非平面结构，因为需要台面蚀刻，因此工序复杂，生产率也低。横向氧化对于温度，表面品质和缺陷等多种因素很敏感，而且也得不到尺寸精确的电流孔，特别是用腔体长度制造法加工多波长阵列时所要求的足够均匀性。在经横向氧化的器件的情况下，与其它的铝镓砷/镓砷DBR相比较，很难利用具有最高折射率衬度和最好热特性的高性能铝砷/镓砷DBR。
采用晶片熔合技术，可以在p-型镓砷为基础的DBR熔合到生长在铟磷晶片上的活性腔体材料的p-面的过程中，获得电流限制和光学限制。为此需要对两个接触晶片中的一个作特殊的结构处理。经结构处理的表面包含一个由浅蚀刻区包围的中心台面和一个未经蚀刻的半导体大面。中心台面内的熔合正面和未蚀刻半导体的大面是在同一平面内。电流限制是通过将熔合界面的原来的氧化物层置于中心台面之外[A.V.Syrbu，V.P.Iakovler，F.Gabofit，I.Sagnes，J.C.Harmand和R.Rai的“具有由局部熔合在原处内产生的横向电流限制的1.52微米铟镓砷磷/铝镓砷垂直腔体激光器的30°连续波工作”，Electronics Letters，Vol.34，No.18，1998，9，3]，或将熔合界面的质子注入区置于中心台面之外(见美国专利5,985,686)的熔合界面而获得的。但这种方法有如下的缺陷：熔合的基于p-镓砷和p-铟磷界面一般是高阻性的，使得器件严重过热；对于长波长VCSEL很难对p-铝镓砷/镓砷DBR优化以使它兼有高反射率(低吸收)和低电阻率。
根据一种不同的长波长VCSEL制造技术加工途径，可以用隧道结将空穴注入活性区，这样可以在活性腔体材料的两边使用n-型DBR。在美国专利WO98/07218中，将一种基于铟磷的活性腔体材料的p-面熔合到一种包含n-型DBR叠层和n++/p++隧道结的铝镓砷/镓砷基结构的p-镓砷面。在这些器件中，要对横向光学限制和电流限制进行标准台面蚀刻和铝镓砷湿法氧化。除上述与这种特殊的横向限制技术和高阻p-镓砷/p-铟磷熔合结有关的缺陷之外，与低带隙材料相比，这种方法还很难在镓砷中获得低阻反向偏置隧道结。
在一种更新过的方法中，采用所谓的“埋入式隧道结结构”，它形成于低带隙基于铟磷的活性腔体材料内。[M.Ortsiefer等，“数据引导的1.55微米基于铟磷的VCSEL的室温运行”，Electronic Letters，Vol.36，No.13，2000，3，2]。这种VCSEL结构包含一个氧化物DBR和一个半导体DBR。n-型半导体DBR，以p-型材料为末端的腔体材料，和p++/n++隧道结结构是在第一次外延过程中生长的。然后，浅台面结构蚀刻通过隧道结直至到达p++区并在第二次外延过程中重新生长一个n-型铟磷层。接着淀积一个氧化DBR到n-铟磷上。在这种结构中，埋入式隧道结提供一种横向电流限制的途径。然而，在活性区和散热片之间放置了一个具有固有低导热系数的氧化物DBR。最后的器件代表一种无衬底的独立式外延结构，因而增加了处置的加工这类器件的复杂性并使生产率下降。
J.Boucart等人发表在IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics，Vol.5，No.3，1999，pp.520-529上的文章“变质的DBR和隧道结注入：一种连续波RT单片长波长VCSEL”披露了一种VCSEL，它包括一个并入活性腔体材料内的隧道结和一个变质的n-型铝镓砷/镓砷DBR，后者是在同一个外延过程中生长在活性腔体材料上。在这种情况下，由于n-铝镓砷DBR具有良好的导热性，热耗散得到改善。由于深度质子注入到顶部铝镓砷/镓砷DBR和隧道结，因而得到了横向电流限制。不过，这种结构的特征是镓砷基和铟磷基化合物之间具有3.7％的晶格失配，故在变质的铝镓砷/镓砷DBR内存在高密度的缺陷。这些缺陷漫延到活性区，可能使器件很快变坏。质子注入也会产生缺陷，特别是在基于铟磷的活性腔体材料内。另外，所得结构不包含获得横向光学限制的途径。
新一代本地区域网络将采用波分复用传输(WDM)方案，以实现宽带传输。多波长VCSEL阵列在这些系统中可能会起重要的作用。V.Jayaraman和M.Kilcoyne在Proc.SPIE：波分复用元件，Vol.2690，1996，pp.325-336上的文章“利用长波长垂直腔激光器的WDM阵列”披露了在1550纳米发射的光泵激VCSEL阵列，其中阵列内不同VCSEL的腔体长度是通过选择性地蚀刻包含在VCSEL腔中的InGaAsP/InP超晶格而改变的。这种器件结构的缺点是，它也不包含获得横向光学限制的途径。
发明概要
因此，在本领域内需要提供一种新型的VCSEL器件结构及其制造方法，以改善长波长VCSEL的工作。
本发明的主要思想如下：一种包含夹在两个DBR之间的活性腔体材料的VCSEL器件结构将形成有活性区，此区是由处于一个活性腔体材料结构表面和一个DBR n-型层的大致平的表面之间的孔确定的，而这个结构表面和n-型层的平面是彼此熔合在一起的。此结构表面是由台面(这个台面包含至少一个p++/n++隧道结的上n++层，隧道结是形成在作为活性腔体材料一部分的p-半导体层的顶上)的一个顶面和台面外的p-型层(即隧道结的p++层或p-半导体层，视情况而定)的一个顶面形成的。结构表面(即台面的上表面和台面之外的p-型层表面)与DBR的n-型层平面相熔合，这是这些表面产生变形的结果。这样，在熔合表面间的台面周围形成一个空气隙，使熔合表面之间出现孔。这可以限制电流流向活性腔体材料(即形成确定活性区的电流孔)和在活性区内折射率的横向变化。
因此，确定活性区的孔包括由活性腔体材料结构表面和DBR叠层n-型层的基本平的表面之间的晶片熔合固定的台面(至少是隧道结的上n++层)。存在于熔合表面之间的空气隙为我们提出的器件结构提供横向折射率的变化。
这里所用的“台面之外的p-型层”这个术语表示活性腔体材料是处于p++/n++隧道结结构下的一个p-型层，或者是活性腔体材料的下p++层。术语“熔合”表示一种晶片熔合技术，它通过施加压力和热量使熔合表面之间产生一个实在的物理连接而从原子上将两个表面相结合。
因此，按照本发明的方法，在隧道结(p++和n++层的叠层)内p-层(活性腔体材料的一部分)的顶部形成一个台面，且晶片熔合是发生在DBR下n-型平面层与活性腔体材料结构层之间。由于晶片(DBR结构和活性腔体材料结构)的变形，这个过程将围绕台面产生一个特定的层布局，并产生一个空气隙，后者由台面的高度和在熔合温度下所加的压力确定。有了空气隙就可以使器件活性区内的横向折射率产生变化。加上从顶部指向底部的电场将使台面内的隧道结和n-p(或n-p++)熔合界面反向偏置，从而限制电流流过台面。
按照本发明，VCSEL器件将按以下方法来制造：
末端为p++/n++隧道结的一种活性腔体材料在铟磷衬底上生长。此活性腔体材料包含一个底部n-型隔离层，一个多量子阱结构，和一个末端为p-层(隧道结就生长在它上面)的顶部隔离层。接着，通过隧道结蚀刻台面结构直至p-层或p++-层(一般是p-型层)，由此获得一个末端为在台面顶部上的n++-层及台面之外的p-型层的活性腔体材料结构表面。然后，通过使这些晶片面对面地接触并在升高的温度下施加压力，使n-型AlAs/GaAs DBR与活性腔体材料的结构表面进行熔合。这样由于晶片的变形，就获得了在台面顶部的n++材料和台面之外的p(或p++)材料与n-型AlAs/GaAs DBR的高质量熔合。接着对InP衬底进行选择性蚀刻，并让底部n-型AlAs/GaAs DBR熔合到活性腔体材料结构的n-面上。再对顶部DBR的GaAs衬底进行选择性蚀刻，并将电阻接触件淀积到器件的两面上。
当把一个偏置电压适当地加到器件的接触件上使相应的电场从顶部指向底部(直流电压)时，在台面内的隧道结和n-p(或n-p++)熔合界面都被反向偏置。反向偏置的活性腔体材料导电良好，而反向偏置的n-p(或n-p++)熔合界面则不导电。因此限制了电流流过台面(即形成电流孔)。电流流过电流孔之后的那部分活性腔体材料是器件的活性区，光就在那里产生。在与n-DBR进行熔合之前形成一个附加的电限制层(例如围绕台面的活性腔体材料结构上的一个质子注入层)，可以进一步改善电气限制。
因此，根据本发明的一个方面，提供一种VCSEL器件结构，它包含夹在顶部和底部分布式布拉格反射器(DBR)叠层之间的半导体活性腔体材料，此顶部DBR叠层包含至少一个n-型半导体层，而且根据加在器件接触件上的直流电压确定产生光的活性区，在这种器件结构中：
活性腔体材料包含夹在底部和顶部隔离层区之间的多量子阱叠层，此顶部隔离层区的末端是p-层和p-层顶部上的p++/n++隧道结，每个p++和p-层提供一个p-型层，至少隧道结的上n++层是一个从下面的p-型层引出的台面，活性腔体材料的结构表面是由台面的上表面和台面之外的p-型层的上表面形成的；
该活性区域是由一个电流孔确定的，电流孔包含一个被空气隙包围的台面，此空气隙处于活性腔体材料结构的熔化表面和DBR叠层的n-型半导体层的表面之间。
按本发明的VCSEL器件结构可包含至少一个夹在相同的顶部和底部DBR之间的附加活性区，这些活性区是从同样的活性腔体材料开始加工的。不同的活性区有单独的触点和电绝缘，因而可对每个活性区进行单独的电泵激。不同的活性区可设计成具有不同的腔体长度，因而通过DBR发射的光将是不同波长的。为此目的，可把确定不同活性区的台面加工成不同的高度，因此不同的活性区将有不同的腔体长度。要做到这一点，可把该至少一个附加台面做成末端为隧道结的n++层顶部的一个附加n-型层。优选这个附加p-型层的厚度不超过VCSEL结构内发射波长的1/8，且由一定数量的层对组成，每对的各层具有不同的化学组成。如果有n个这种附加台面(活性区)，每个附加台面包含一部分厚度不同于其它附加台面厚度的附加n-型层。为了使通过夹在不同活性区的DBR发射的光之间具有相等的最小波长间隔，使包含相应活性区内附加n-型层的活性腔体材料的厚度值之间的差相等。
根据本发明的另一方面，提供一种VCSEL器件结构的制造方法，它包括以下步骤：
(i)生长一个半导体活性腔体材料，它包含一个夹在底部和顶部隔离层区之间的多量子阱层叠层，顶部隔离层区的末端是一个p-层和一个长生在p-层顶部的p++/n++隧道结，每个p++-和p-层呈现一p-型层；
(ii)对步骤(i)形成的活性腔体材料进行蚀刻，以形成一个至少包含从下面p-型层引出的隧道结的上n++层的台面，从而产生该活性腔体材料的结构表面，活性腔体材料的结构表面由台面的上表面和台面之外的p-型层的上表面形成的；
(iii)在活性腔体材料结构表面和第一DBR叠层的n-型半导体层的一个基本平的表面之间施加晶片熔合，以使围绕台面的熔合表面变形并确定电流流过的孔区，孔区包含由各变形熔化表面间的空气隙包围的台面并确定器件的一个活性区；
(iv)在与结构表面相对的活性腔体材料表面上形成第二个DBR叠层；
(v)在VCSEL器件结构上形成欧姆接触件，使电流能经过电流孔流至活性区。
为了形成至少包含一个从同一活性腔体材料开始的附加活性区的VCSEL器件结构，在进行步骤(ii)之前在隧道结n++-层的顶部提供一个附加的n-型层。在这种情况下，在进行步骤(ii)过程中，至少形成一个也包含这个附加n-型层的一部分的附加台面。
与现有按隧道结途径制造长波长VCSEL的方法不同，本发明的方法可以采用具有优良导热性的高结构品质AlAs/GaAsDBR。当把AlAs/GaAsDBR熔合到具有低电阻率的基于n++Inp-/n-GaAs熔合结的活性腔体材料中时，可以获得电气和光学两种限制。
必须指出，按照本发明的器件制造方法是很简单的，不包含任何非标准的工艺，而且可以制造多波长VCSEL阵列。最后的器件在机械上很稳定，可以大规模低成本生产。
附图简介
为了了解本发明并看看在实践中如何实施，现在参照附图通过几个非限制性的例子对几种实施例加以描述，附图中：
图1A示出按本发明的一种实施例的一个VCSEL器件的一层结构；
图1B示出图1A器件的折射率变化及在活性腔体材料和相邻DBR内的光驻波；
图2至4表示图1A的VCSEL器件的制造；
图5是按本发明另一个实施例的VCSEL器件的示意图；
图6表示图5的VCSEL器件的制造；
图7是按本发明另外一个实施例的VCSEL器件的示意图；
图8是按本发明的一种电泵激多波长VCSEL阵列的示意图；
图9和10表示图8器件的制造。
发明的详细描述
图1A是按本发明一个实施例的VCSEL器件结构，总体以10标示。器件10包含底部和顶部n-AlAs/GaAs DBR12a和12b，其间为一种活性腔体材料14。DBR12a和12b通过晶片熔合分别与活性腔体材料14的底面14a和上结构面14b相连。在器件10的相对两面上制有电阻接触件15。
活性腔体材料14结构包含一个底n-型隔离层16a，一个多量子阱(MQW)结构18，一个末端是p-型层20的顶隔离层16b，和一个台面22，后者是由p++底层和顶n++层组成的p++/n++隧道结。因此，结构表面14b是由台面22的上表面和台面之外的p-型层20形成的。在一面的n-型DBR12b的下表面(即镜面结构的n-半导体层)和在另一面的结构表面14b形成熔合界面。台面22因熔合表面变形而被夹在各熔合表面之间，在台面周围形成一个细长空气隙24。处在已变形熔合表面之间的空气隙内的台面提供一个孔区25让电流流过，而空气隙提供横向折射率变化以用于光学模式限制。电流孔25确定作为活性腔体材料14一部分的活性区，其中电流通过电流孔25后在该区流动并产生光。
在接触件15上加以偏置电压产生一个从顶部指向底部的电场，使得台面22内的隧道结和n-P熔合界面被反向偏置，分别成为导电良好和不导电。这样就获得了对电流流过台面的限制。
图1B表示该VCSEL器件结构10活性腔体材料内和相邻DBR的折射率变化，以及发射波长处的驻波(电场)分布图。如图所示，多量子阱结构区18处于最大电场处，而隧道结TJ处于驻波最小点，因此不会引起VCSEL器件结构10发射的光的吸收。
下面将参照图2-4描述制造器件10的主要步骤：
在第一步骤(图2)，活性腔体材料14(晶片结构)的制造是通过顺次生长在下列各层上：一个n-型InP结构26，一个InGaAsP-蚀刻阻挡层17，底部n-InP隔离层16a，未掺杂MQW结构18，末端为p-型InP层20的顶部InP隔离层16b，和p++/n++隧道结TJ。
在本例中，采用下面的各层参数。InGaAsP-蚀刻阻挡层17在1.4微米(即Plmax＝1.4微米)和113纳米的厚度下具有最大的荧光(PLmax)。底部n-InP隔离层16a的掺杂水平n为3·1017厘米-3，厚度为305纳米。未掺杂的MQW结构18包含6个InGaAsP量子阱(其Plmax＝1.54微米，厚度为1.38微米)和7个InGaAsP壁垒(其Plmax＝1.38微米，厚度为9.4纳米)。顶部InP隔离层16b包含101纳米的未掺杂InP。p-型InP层20具有192纳米的厚度和p＝5·1017厘米-3的掺杂水平。P++/n++隧道结TJ是由掺杂水平为5·1019厘米-3和厚度为15纳米的p++-InGaAs层22a及掺杂水平为5·1019厘米-3和厚度为15纳米的n++-InGaAs层22b形成的，因此隧道结TJ的总厚度为30纳米。一般隧道结的厚度在20至50纳米之间。
在第二步骤(图3)，利用在基于H3PO4:H2O2:H2O的溶液中作选择性蚀刻，通过隧道结TJ蚀刻台面-结构22，由此获得活性腔体材料结构14的结构表面14b。在本例中，蚀刻是利用一个10微米直径的光刻胶掩膜进行的并一直持续至到达p-型层20，因而层20的表面生成将要与n-型DBR 12b熔合的台面之外的p-型层。但应指出，蚀刻可能持续至到达隧道结的p++层22a，在那种情况下，层22a的表面生成将要熔合的台面之外的p-型层。
在第三步骤(图4)，将n-型DBR叠层12b和活性腔体材料14面对面地接触，并在升高的温度下加压，使DBR 12b的下n-半导体层表面与结构表面14b熔合。DBR叠层12b是一种AlAs/GaAs DBR结构，它是用金属-有机化学气相淀积(MOCVD)生长在GaAs-衬底上，并包含25对AlAs(掺杂水平n＝1018厘米-3且厚度为130纳米)和GaAs(掺杂水平n＝1018厘米-3且厚度为114纳米)。
熔合装置(基本上是一个气动压力机)可以改变加到晶片上的压力，这些晶片在熔合过程的不同阶段都互相接触。为避免在活性区形成缺陷，很重要的一点是在室温下的清洗过程中加到晶片上的压力不超过0.5巴。这个低压力在加热周期内一直保持到650℃的熔合温度。然后将压力逐渐增至2.0巴，并让晶片在这个条件下保持30分钟。在熔合过程中晶片产生变形，由此获得台面22顶部的n++材料和台面之外的p-型材料二者与n-型AlAs/GaAs DBR 12b的高品质熔合，并形成空气隙24。
在最后的步骤，在HCl中对InP衬底进行选择性蚀刻直至到达InGaAsP蚀刻阻挡层17，后者也在H3PO4:H2O2:H2O溶液内作选择性蚀刻。然后将顶部n-型AlAs/GaAs DBR 12a与活性腔体材料的n-面熔合。在本例中，DBR 12a包含27对铝砷和镓砷层，它们的厚度和掺杂水平值与顶部DBR叠层12b内各层的值相同。顶部DBR的GaAs衬底在H2O2-NH3OH溶液中选择性蚀刻直至到达第一AlAs层(它用作蚀刻-阻挡层，且也在HF中作选择性蚀刻)，且在器件两面淀积镍-金-锗-金欧姆接触件15。按此工艺得到的VCSEL器件结构10在1520纳米发射。
参看图5和6，示出了按本发明另一个实施例的VCSEL器件结构100。为便于理解，对在器件10和100中相同的元件采用同样的标号表示。器件100的制造采用在进行顶部DBR 12b熔合之前通过台面22外的活性腔体材料14作质子注入，因而可以进一步改善通过VCSEL器件结构100的孔区25的电气局限。
为制造器件100，可以按上述对制作器件10那样进行结构化活性腔体材料的制备，然后如图6所示，将光刻胶盘27按这样一种方法形成于台面22上方，使这个盘与台面同心。盘27用作掩膜，其直径为30微米，厚度为2微米。台面被掩盖后在80keV能量下以5·1014的剂量对活性腔体材料14的表面进行质子注入。注入能量和剂量是这样来选定的，使得注入层28(图5)到达底部n-InP隔离层16a。
在质子注入后，在丙酮和氧等离子体中将光刻胶掩膜27去除，接下去的步骤与上面所述对器件10的制造类似。因此，所得到的VCSEL器件100具有一个附加的质子注入电流限制层28，它仅仅触及包围台面22的空气隙24的外边缘，且不会在由孔25确定的活性区内引入缺陷，因为它处于活性区之外且离得很远。为此目的也可以采用氧或其它离子注入。
图7是按本发明另外一个实施例的VCSEL器件结构200的示意图。同样，也用相同的标号来标示与前面两个例子共用的元件。在图7的例子中，顶部DBR是一个AlAs/GaAs叠层，其中只有一个顶部GaAs层30是用浓度5·1018厘米-3的载体n-型掺杂的，而所有其它各层均未掺杂。DBR叠层12b与活性腔体材料14相接触，且DBR叠层12b的顶部n-GaAs层按上述方法与活性腔体材料14的结构表面14b熔合。此后在H2O2-NH3OH溶液中对顶部DBR 12b的GaAs-衬底作选择性蚀刻。采用在Cl2-Ch4-Ar中作反应等离子体干法蚀刻在顶部DBR叠层12b中形成一个环形凹坑31直至n-型GaAs层30，并因此而形成一个被此环形凹坑31包围的顶部DBR 12b的中心叠层区29。接着在凹坑31内淀积顶部欧姆接触件32。
当在顶部接触件32和底部接触件15b之间加上直流电压时，有电流沿着n-型层30流向孔区25，然后通过活性区。采用除顶层30外的所有顶部DBR 12b层都不掺杂的优点还降低了DBR中的光吸收(光是经过DBR从器件引出的)，因而可增加VCSEL的发射能力。
现在转到图8-10，它表示本发明的另一个实施例。图8表示多波长VCSEL阵列形式的一个VCSEL器件结构300，它在本例中包含三个VCSEL器件300a，300b，300c的阵列，它们分别发射不同的波长λ1，λ2，λ3。图9和10表示器件结构300的制作。
由于台面33，34，35的高度不同，相邻器件300a，300b，300c中结构活性腔体材料各有不同的长度L1，L2，L3，使得发射不同的波长。在选择性地蚀刻顶部GaAs衬底之后，在顶部n-型DBR 12b上形成环形欧姆接触件36，37，38。然后，通过在Cl2-CH4-Ar中的反应等离子体刻蚀刻在顶部DBR 12b上制出绝缘台面结构39，40，41。每个环形接触件36，37，38和相应的绝缘台面结构39，40，41，是以分别通过相应的台面33，34，35的中心的垂直轴线为中心的。在一个顶接触件36，37或38和一个底接触件15b之间加上直流电压，就有电流流过各VCSEL器件(300a，300b或300c)的活性区，同时发射相应波长(与此特定器件的腔体长度有关)的光。
对于通信应用，精确地控制在多波长VCSEL阵列中的激光器发射波长，使得阵列中各VCSEL之间具有相等的波长间隔Δλ，是很重要的。这需要保证相邻器件具有相等的腔体长度间隔ΔL。在本发明的这个实施例(如图9所示)中，隧道结各层22a和22b是生长在基于InP的腔体材料上，然后生长两个InP-InGaAsP层对42。在层对InP-InGaAsP中每一层的厚度为10纳米，n-型掺杂水平为5·1017厘米-3。InGaAsP层的组成相当于1.4微米的PLmax。通常这个附加的n-型层是由所要求的层对数量Np组成，每一对具有化学组成不同的两层。在所希望的分离波长数N和Np之间的关系是Np＝N-1。
在以上的形成各层的工序之后，在基于H3PO4:H2O2:H2O的溶液和HCl中对层42和隧道结层22a和22b进行选择性蚀刻，直至到达基于InP的腔体材料的p-型层20，以形成台面43，44和45(图10)。每一个台面43，44，45的直径为10微米。
回到图8，在进行上面的选择性蚀刻工序之后，利用光刻对台面作精密的修整，并在基于H3PO4:H2O2:H2O的溶液和HCl中进行选择性蚀刻，以形成不同高度的台面33，34，35。台面35包含隧道结层22a和22b以及总高度为70纳米的两个层对42。台面34包含隧道结层22a和22b以及总高度为50纳米的两个层对42。台面33只包含隧道结层22a和22b，高度为30纳米。在阵列中每两个相邻VCSEL器件(300a和300b，300b和300c)的光学腔长度之间的差别是一样的(20纳米乘以InP-InGaAsP层对的有效折射率)，这样就可以使相邻VCSEL的发射波长之差Δλ相等。在此具体例子中，对带台面33，34和35的器件所测得的发射波长值分别为1520纳米，1538纳米和1556纳米，从而Δλ为18纳米。
通常为提供不同高度的台面，某些台面的末端是隧道结n++层22b顶部上的一个附加n-型层。此附加n-型层由一定的层对数组成，每一对具有不同化学组成的两层。在相应台面内的一部分附加n-型层具有与其它台面不同的高度。设这个附加n-型层在淀积后及蚀刻形成N个不同台面之前的厚度为d，则在该层被选择性蚀刻后，它在第i(i＝1，2，…N)个台面内的剩余部分的厚度di为di≌(i-1)d/(N-1)。厚度di不超过相应VCSEL器件内发射波长的1/8，即60纳米左右。
本领域技术人员容易知道，可以对上面作为例子的本发明的一些优选实施例作各种修改和变化而不会偏离本发明的范围，本发明的范围将由后附的权利要求书确定。还应说明，所有在方括弧[]内的出版物都被引用于此作为参考。

Claims (20)

1.一种垂直腔表面发射激光(VCSEL)器件结构，它包含一夹在顶部和底部分布式布拉格反射器(DBR)叠层之间的半导体活性腔体材料结构，该顶部DBR包含至少一个n-型半导体层；且确定一活性区，以根据加在器件接触件上的直流电压产生光，其中：
-所述活性腔体材料包含一夹在顶部和底部隔离层区之间的多量子阱层叠层，该顶部隔离层区的末端是一p-层和一在p-层顶部的p++/n++隧道结，每个p++-和p-层呈现为一p型层，至少隧道结的上n++-层是从下面的p-型层引出的台面，活性腔体材料的一个结构表面是由该台面的上表面和台面之外的p-型层上表面形成的；
-活性区是由包含被空气隙包围的台面的一电流孔确定的，空气隙处在活性腔体材料的熔合结构表面和顶部DBR叠层的n-型半导体层的表面之间。
2.如权利要求1所述的器件，其中所述隧道结是处于该器件结构驻波光场的最小点，且其厚度为20-50纳米左右。
3.如权利要求1所述的器件，其中活性腔体材料还包含一在台面之外的腔体材料内的电限制层。
4.如权利要求3所述的器件，其中所述限制层是一离子注入层。
5.如权利要求1所述的器件，还包含至少一个附加活性区，该活性区夹在将由附加电接触件形成的顶部和底部DBR之间，以使电流在活性腔体材料结构和DBR叠层间流通，所述至少一个附加活性区是由一被空气隙包围的附加台面确定的，所述空气隙处在活性腔体材料的熔合结构表面和顶部DBR叠层的n-型半导体层表面之间，所述至少两个活性区互相对齐并隔开一定距离。
6.如权利要求5所述的器件，其中至少两个台面的高度不相同，所述至少两个活性区可用于使通过两个活性区内的DBR发射的光各有不同的波长。
7.如权利要求6所述的器件，其中所述至少一个附加台面的末端是在隧道结的n++层顶部的一个附加n-型层，其厚度不超过VCSEL结构内发射波长的1/8。
8.如权利要求7所述的器件，其中附加n-型层是由一定数量的层对组成的，每一对具有化学组成不同的两个层。
9.如权利要求8所述的器件，其中具有N个这种附加台面，其中每一个所包含的附加n-型层的厚度与其它附加台面的不一样。
10.如权利要求9所述的器件，其中由每两个局部相邻活性区确定的活性腔体材料厚度值之差是相等的，从而为通过夹在每两个局部相邻活性区之间的DBR发射的光提供相等的波长间隔。
11.一种VCSEL器件结构的制造方法，该包括以下步骤：
(i)生长半导体活性腔体材料，它包括一夹在底部和顶部隔离层区之间的多量子阱层叠层，顶部隔离层区的末端是一p-层和一长生在p-层顶部的p++/n++隧道结，每个p++-和p-层呈现为一p-型层；
(ii)对步骤(i)形成的活性腔体材料进行蚀刻，以形成一个至少包含从下面p-型层引出的隧道结的上n++层的台面，从而产生该活性腔体材料的结构表面，该活性腔体材料的结构表面是由台面的上表面和台面之外的p-型层的上表面形成的；
(iii)在活性腔体材料结构表面和第一DBR叠层的n-型半导体层一基本平的表面之间施加晶片熔合，从而围绕台面的熔合表面变形并确定电流流过的孔区，孔区包括由各变形熔化表面间的空气隙包围的台面并确定器件的一活性区；
(iv)在与结构表面相对的活性腔体材料表面上形成第二个DBR叠层；
(v)在VCSEL器件结构上形成欧姆接触件，使电流能经过电流孔流至活性区。
12.如权利要求11所述的方法，其中活性腔体材料生长在铟磷衬底上。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述隧道结处于器件结构中驻波光场的一个最小点，且其厚度约为20-50纳米。
14.如权利要求11所述的方法，还包括形成在台面之外的腔体材料结构中的电限制层的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，其中电限制层的形成包括采用光刻胶盘作为掩膜将光刻胶盘置于与台面同心的位置，在台面之上对活性腔体材料的表面进行离子注入，以产生一离子注入电流限制层，该层到达空气隙的外边界并处于活性区之外。
16.如权利要求11所述的方法，还包括形成至少一个附加活性区的步骤，该活性区夹在从活性腔体材料开始的第一和第二DBR之间，并在VCSEL器件结构上形成附加的欧姆接触件，以使电流能流过附加活性区，所述至少一个附加活性区包含一附加台面，该附加台面被活性腔体材料的熔化结构表面和DBR叠层的n-型半导体层表面之间的空气隙所包围。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述至少一个附加活性区的形成包括提供一附加n-型层的步骤，所述附加n型层的厚度不超过VCSEL结构内发射波长的1/8，蚀刻按照形成末端为所述附加n-型层的至少一个附加台面的方式进行。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述蚀刻按形成至少两个附加台面的方式进行，附加台面中每一个包含附加n-型层的一部分，该附加n型层的厚度不同于其它附加台面的n-型层的厚度。
19.如权利要求11所述的方法，其中所述两个DBR是由AlAs和GaAs层制成的。
20.如权利要求11所述的方法，其中第二DBR叠层是通过晶片熔合与活性腔体材料的表面结合的。
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