CN1762078A - 在表面发射半导体激光器中产生波导结构的方法及表面发射半导体激光器 - Google Patents

在表面发射半导体激光器中产生波导结构的方法及表面发射半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于在表面发射的半导体激光器中制造波导体结构，该半导体激光器具有有效区(3)和设置在该有效区(3)p侧上的隧道接触层(7)，该隧道接触层(7)与第二n掺杂半导体层(8)邻接。为此建议在第一外延生长过程中在p掺杂的半导体层(5)上敷设n掺杂的阻挡层(6，6a)，接着将该阻挡层(6，6a)蚀刻掉一部分形成孔(10)。然后在第二外延生长过程中将用于隧道接触层(7)的层设置在剩余的阻挡层(6，6a)以及孔(10)上。通过改变该阻挡层(6，6a)的厚度可以连续调节横向波导和模式选择。

Description

在表面发射半导体激光器中产生波导结构的方法 及表面发射半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种用于在表面发射半导体激光器中产生波导体结构的方法以及这种半导体激光器。
背景技术
表面发射的激光二极管(即垂直空穴表面发射激光器：VCSEL)是这样一种半导体激光器，其中垂直于半导体芯片的表面进行光发射。与传统的边缘发射激光二极管相比，表面发射激光二极管具有更多的优点，如更少的电功率损耗、可以直接检查晶片上的激光二极管、可以与玻璃纤维简单耦合、纵向的单模式光谱以及可以将表面发射的激光二极管连接为二维矩阵。
在借助玻璃纤维的通信技术领域，由于散射或吸收取决于波长，因此需要在大约1.3到2μm的波长范围内、尤其是波长为1.31或1.55μm的VCSEL。具有适于应用的特性的长波激光二极管，特别是对于大于1.3μm的波长范围，迄今都是由基于InP的连接半导体制造出来的。基于GaAs的VCSEL适用于＜1.3μm的短波范围。目前采用以下解决办法：
例如由具有变质层或者说镜像的InP基座构造出在1.55μm时发射功率为1mW的连续波VCSEL(IEEE Photonics Technology Letters，Volume 11，Number 6，June 1999，629-631页)。其中通过光子注入来实现横向波导。
在“High Performance 1.6μm Single-Epitaxy Top-Emitting VCSEL”(Conference on Lasers & Electro-Optics(CLEO)2000，Sanfrancisco，USA，Post-Deadline Paper CPD 12，pp.23-24)中公开了一种在唯一的外延(epitaktisch)生长过程中产生的VCSEL，其在波长为1.5至1.6μm时具有0.45mW的功率，并能变质镜像到光发射面上。其中借助选择性氧化实现导电和波导。
在IEEE ISLC 2002，145-146页中提出一种具有空气半导体镜像的VCSEL(InP-空气隙-DBR，用于分布式布拉格反射器)。其中在有效区域和上部的DBR镜像之间设置隧道接触层，通过对隧道接触层的不足蚀刻(Unteraetzen)来限制电流。包围剩余隧道接触层区域的空气隙用于对光场进行波导。
此外，在26.European Conference on Optical Communication，ECOC 2000的出版物“88℃ Continuous-Wave Operation of 1.55μm Vertical-CavitySurface-Emitting Lasers”中公开了一种具有基于锑化物的镜像，其中不足蚀刻的InGaAs有效区域被两个n掺杂的InP层包围，这两个InP层又连接AlGaAsSb-DBR镜像。在此，选择性不足蚀刻的作用是产生横向波导。
但是，包含内置隧道接触层(BTJ，内置隧道结)的VCSEL就功率、运行温度范围、单模式功率和调制带宽而言具有最佳性能。下面借助图1描述内置隧道接触层的制造和结构。利用分子束外延(MBE)制造具有很小带宽的高掺杂的p+/n+层对101、102。在这两个层之间构成实际的隧道接触层103。通过电抗离子蚀刻(Reactive Ion Etching，RIE)形成圆形或椭圆形的区域，该区域基本上通过n+掺杂层102、隧道接触层103以及一部分或整个p+掺杂层101构成。该区域在第二次外延过程中用n掺杂的InP(层104)过生长，从而“埋”入隧道接触层103。过生长层104和p+掺杂层101之间的接触区在施加电压时起阻挡层的作用。电流流过电阻典型为3×10-6Ωcm2的隧道接触层。由此可以将电流限制在有效区108的实际范围内。此外产生的热量也很少，因为电流是从高欧姆的p掺杂层向低欧姆的n掺杂层流动的。
隧道接触层的过生长导致轻微的厚度变化，该变化对横向波导会产生不利影响，从而尤其在孔径较大时会更容易出现较高的横向模式。因此，对于尤其是在玻璃纤维光通信技术中所需的单模式运行来说，只能采用具有相应很小激光功率的小孔径。
具有内置隧道接触层的VCSEL的例子和应用例如在“Low-thresholdindex-guided 1.5μm long wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with highefficiency”，Applied Physics Letter，Volume 76，Number 16，2179-2181页，2000.04.17、“Long Wavelength Buried-Tunnel-Junction Vertical-CavitySurface-Emitting Lasers”，Adv.In Solid State Phys.41，75-85页，2001、“Vertical-cavity surface-emitting laser diodes at 1.55μm with large output power andhigh operation temperature”，Electronics Letters，Volume 37，Number 21，1295-1296，2001.10.11、“90℃ Continuous-Wave Operation of 1.83μm Vertical-CavitySurface-Emitting Lasers”，IEEE Photonics Technology Letters，Volume 12，Number11，1435-1437页，2000.11以及“High-speed modulation up to 10 Gbit/s with1.55μm wavelength InGaAlAs VCSELs”，Electronics Letters，Volume 38，Number20，2002.09.26中公开。其中谐振器长度的横向变化用于横向波导。
下面借助图2从图1的所述内置隧道接触层的结构出发简要描述在上述文献中涉及的基于InP的VCSEL。
内置隧道接触层(BTJ)在该结构中反过来设置，从而有效区106位于直径为DBTJ、且处于p+掺杂层101和n+掺杂层102之间的隧道接触层之上。激光束在用箭头116表示的方向上出现。有效区106由p掺杂层105(InAlAs)和n掺杂层108(InAlAs)包围。有效区106上方的正面镜像109由具有约35个InGaAlAs/InAlAs层对的外延DBR组成，由此达到约99.4％的反射性。背面的镜像112由作为DBR的介电层堆组成，由此达到约99.75％的反射性。绝缘层113避免n-InP层104与多数情况下由金或银制成的p侧接触层114直接接触(参见DE10107349A1)。111表示环形结构的p侧接触层。
由介电镜像112、集成的接触层114和散热片115构成的组合与外延附生的多层结构相比具有高得多的导热性能。电流通过接触层114或者通过集成的散热片115和n侧接合位置110流入。对图2所示的VCSEL类型的制造和特性的其它详情可参看上述引用的文献。
在所提出的、尤其是用于波长范围在1.3至2μm之间的VCSEL二极管中，需要能在其它范围中通过横向波导调整其横向辐射特性。在此，制造也应当用通常的外延过生长实现，因此尤其是没有A1的基于InP的VCSEL适用于1μm以上的波长。
在波长范围只能在大约1.3μm以下的基于GaAs的VCSEL中，横向波导通过选择性氧化的AlAs层产生(参见“Advances in Selective Wet Oxidation ofAlGaAs Alloys”，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.3，No.3，1997.06，916-926页)。这里涉及的VCSEL由GaAs-AlGaAs多层构成，这些多层利用金属有机气相外延(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy，MOVPE)外延制造的。通过AlGaAs层的湿氧化形成内置氧化层，其释放VCSEL中心的未氧化孔。该方法目前还无法成功地转化到基于InP的VCSEL上，因为在此由于晶格常数-误差匹配使得AlAs不能或只能在很薄的层中设置，并且诸如AlGaSb的其它可氧化物质目前还没有达到足够的氧化层质量。因此在长波VCSEL中采用其它方法来进行横向波导，例如谐振器长度的横向变化、层的选择性蚀刻、光子注入或变质AlAs层，如上面在引用的文献中已经给出的。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题在于提供一种尤其是基于InP的表面发射激光二极管，其可以廉价制造并能大量生产，并且其横向辐射特性可以通过其它区域的横向波导来调整。此外，横向单模式运行在孔径较大时也可以稳定和高效率地进行。
该技术问题是通过本发明的用于在表面发射的半导体激光器中制造波导体结构的方法以及本发明的表面发射半导体激光器解决的。其它实施方式在相应的从属权利要求和下面的描述中给出。
本发明提供一种用于在表面发射的半导体激光器中制造波导体结构的方法，该半导体激光器包括具有pn结的有效区，和设置在该有效区的p侧上的隧道接触层，所述有效区由第一n掺杂半导体层和至少一个p掺杂半导体层包围，所述隧道接触层与第二n掺杂半导体层邻接，首先在第一外延生长过程中将一个n掺杂的阻挡层设置在至少一个p掺杂的半导体层上，接着将该阻挡层蚀刻掉一部分以形成孔，以便在第二外延生长过程中将用于隧道接触层的层设置在该阻挡层以及孔上。
因此，利用本发明的方法在孔的区域外实现如下外延生长的结构(从下到上)：与有效区邻接的p掺杂半导体层、n掺杂阻挡层、由高p掺杂和n掺杂半导体层组成的隧道接触层以及第二n掺杂半导体层。在该过生长结构中，电流(极性是上面+，下面-)只能还在孔的区域(没有阻挡层)内流动，因为在其外部形成了阻隔的p-n-p-n结构。尤其是，能很好地将阻挡层和n掺杂半导体层之间的边界面阻隔开来，该n掺杂的半导体层位于阻挡层和有效区之间。由此通过孔的形状和大小最大程度横向地确定有效区或激光有效层内的激光有效区域。同时，可以通过相应选择阻挡层的层厚来产生同样通过孔确定的横向波导，因此就在激光有效区域上准确地调节了横向波导(自动地自我调节)。
根据本发明的阻挡层由n掺杂的材料组成，该材料优选选择为相对于邻接的p掺杂半导体层的材料可以蚀刻。例如，该p掺杂半导体层由InP组成，而阻挡层由InGaAsP组成。在平板印刷和蚀刻处理中，在阻挡层中产生圆形的、椭圆形的、方形的、矩形的或其它维数的孔。一直贯穿到邻接的p掺杂半导体层。
要注意的是，由于隧道效应所需的高掺杂和/或低带宽，隧道接触层一般对激光辐射是很强吸收的。因此合适的是，在孔的内部，也就是在激光有效区域内，为了使放大程度最大化而将有效区设置为电场强的垂直强度分布的最大值，而将孔内部的隧道接触层设置为电场强的垂直强度分布的最小值。相反，孔外的隧道接触层的垂直位置取决于阻挡层的厚度，并例如设置为场的最大值或场的最小值。相应地，可以在接近于0到最小值和下一个场最大值之间的距离(＝相邻最大值或最小值之间距离的一半)的范围内选择阻挡层的层厚。阻挡层可以由多个单层组成。
如下面将结合实施例详细解释的那样，如果孔外的隧道接触层的垂直位置被设置为场的最大值，则将基本模式限制在所述孔上，更高级模式由于其更强的场尾部而在外部区域中被更强地抑制，并因此不能起振。如果阻挡层的厚度选择得非常小，使得孔外的隧道接触层的垂直位置处于场的最小值，则不会形成或只形成很小的波导。因此，通过尤其是在所述范围中选择阻挡层的层厚，可以在很宽的范围内连续调节横向波导和模式选择。
附图说明
下面结合实施例解释其它、尤其是从属权利要求给出的本发明实施方式。但是本发明的实施方式无论如何也没有限制为在此所涉及的具体实施方式。
图1示意性示出用于根据现有技术的表面发射的半导体激光器的内置隧道接触层的结构，
图2示意性示出具有内置隧道接触层的公知表面发射的半导体激光器的结构，
图3示出按照本发明的表面发射的半导体激光器的典型外延输出结构，
图4示出图3的输出结构，其具有设置在最上层中的孔，
图5示出在图4的结构过生长之后的其它层，
图6示出图5的结构的另一种变形，
图7示意性示出本发明的半导体激光器的完成品，
图8示出关于场变化的可能的层设置，
图9示出根据场变化的另一种层定位。
具体实施方式
公知BTJ-VCSEL的制造和结构已经结合图1和图2在前面详细解释过了。因此下面特别强调本发明的半导体激光器的制造和结构的不同之处。
图3示出根据本发明的WG-VCSEL(WG＝波导)的典型外延输出结构。在第一外延生长过程中，在基座1上相邻地设置作为外延布拉格镜像2的n掺杂半导体层、有效区3和p掺杂半导体层4。在该例中，基座由n掺杂的InP构成。在此p掺杂半导体层是InP或InAlAs层。可选地，对于层4由InAlAs构成的情况，设置另一个p掺杂的InP层或InGaAs层5。根据本发明，在p掺杂半导体层上再设置n掺杂阻挡层6。阻挡层6优选由一种选择与p掺杂层5或如果没有层5则与层4的材料相反而可以蚀刻的材料构成。例如，邻接层4或5由InP构成，阻挡层6由InGaAsP构成。
图4示出随后的平板印刷和蚀刻过程的结果，这期间在阻挡层6中产生圆形、椭圆形、方形、矩形或其它维数的孔10，一直贯穿到邻接的p掺杂半导体层5。图4涉及例如直径为w的圆形孔10，其中层6的剩余的圆形区域在下面用6a表示。
与公知的、上面解释过的BTJ-VCSEL类似，在第二外延附生步骤中首先设置为隧道接触层设置的层7(例如分别由高p和n掺杂的InGaAs层构成)、上面n掺杂的抑制层8(优选由InP构成)、和可选的n接触层9(优选由高n掺杂的InGaAs构成)。图5和图6示出两个可替换的结果，其中根据不同的过程参数或外延附生方法内置(图5)或尽可能保持(图6)孔10的横向结构。外延附生方法例如是MBE(分子束外延附生)、CBE(化学束外延附生)、MOVPE(金属有机气相外延附生)。
如已解释的，在过生长结构中电流(极性：上面+，下面-)只能在孔10的区域内流动，因为在孔10的外部形成半导体层5、6、7、8的阻隔p-n-p-n结构。尤其是很好地阻隔了p掺杂半导体层和阻挡层6之间的边界面10a。由此通过孔10的形状和大小在最大程度上横向地确定了激光器有效层3内的激光有效区。同时，通过相应地选择阻挡层6的层厚产生同样通过孔10确定的横向波导，这样就在激光有效区上准确地调节了横向波导。这可以借助图8和图9来解释：
在图8中，当电场强如在放大显示的层结构的右边那样时，阻挡层6a的层厚d大约等于电场强的垂直强度分布中的两个最小值之间距离的一半。图8中示出的结构实现了很强的波导。用图9的结构在环形阻挡层6a的层厚d很小时可获得较弱的波导。
要注意，隧道接触层7由于隧道效应所需的高掺杂和/或低带宽而一般对激光辐射可以是强吸收的。无论如何都在孔10的内部(也就是激光有效区内)将有效层3(图8和9中的截面A)和孔10区域内的隧道接触层7(图8和9的截面B)分别设置为最大值和最小值。因此，设置为最大值的有效区实现了放大性能的最大化，而设置为最小值的隧道接触层使得损失最小化。
相反，孔10外部的隧道接触层7的垂直位置(截面C)取决于阻挡层6a的厚度d，例如可以设置为场的最大值(图8)或设置为场的最小值(图9)。在第一种情况下，只要隧道接触层7的折射率与涂层/抑制层8的折射率不同，位于外部区域(孔10的外部)的部分激光场就经历很强的阻尼和/或有效折射率的变化。通过光放大的径向梯度或者在孔10边缘上的损失，将基本模式限制在孔10上，而更高的模式由于其更强的场尾部而在外部区域中被强烈抑制，并因此不能起振。图8的结构因而允许具有高激光功率的单模式运行。
弱波导的另一种极端情况显示在图9中。如果将阻挡层6a的厚度d选择得非常小，则不会形成或只能形成很小的波导。孔10外部的阻尼很小，更高的模式被较弱抑制并因此可以起振。
图8和图9示出，通过选择本发明的阻挡层6a的层厚d可以在其本发明的WG-VCSEL中在较大范围内不断调整横向波导和模式选择。
最后，图7示出具有波导的本发明的半导体激光器成品(WG-VCSEL)的结构，其中该结构的过程对应于图5和6中由BTJ-VCSEL的公知的、并在本说明书前序部分详细解释的技术出发的结构。因此在此不再进行详细说明。在WG-VCSEL成品中，完全去掉了最初的n-InP基座1，并设置了n侧的接触层15。在n掺杂的抑制层8上具有环形的p侧接触层9a，后者包括介电镜像12。P侧接触层11(例如Au/Ti/Pt/Au)通过绝缘和钝化层14(例如由Si3N4或Al2O3构成)而与n掺杂的抑制层8分开。在该结构上具有环绕的集成金散热片13。n侧的接触层15例如由Ti/Pt构成。在该面上射出来自半导体激光器的激光。
接着要指出，在此作为均匀层示出的有效区3至少由例如11个薄层(5个量子薄膜和6个阻挡层)的层结构构成。
本发明允许利用横向波导和模式选择的不断可调的范围来实现具有波导体结构的VCSEL的制造。与当前的激光二极管相比提高了单模式性能。

Claims (21)

1.一种用于在表面发射的半导体激光器中制造波导体结构的方法，该半导体激光器包括具有pn结的有效区(3)，和设置在该有效区(3)p侧上的隧道接触层(7)，所述有效区(3)由第一n掺杂半导体层(2)和至少一个p掺杂半导体层(4，5)包围，所述隧道接触层(7)与第二n掺杂半导体层(8)邻接，其中
在第一外延生长过程中在所述至少一个p掺杂的半导体层(4，5)上敷设n掺杂的阻挡层(6，6a)，接着将该阻挡层(6，6a)蚀刻掉一部分以形成孔(10)，以及其中，在第二外延生长过程中将用于隧道接触层(7)的层设置在该阻挡层(6，6a)以及孔(10)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阻挡层(6，6a)的层厚(d)在0＜d≤λ/2的范围内选择，其中d表示层厚，λ表示电场强的垂直强度分布中两个最小值之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，作为阻挡层(6，6a)挑选可选择为相对于邻接的p掺杂半导体层(4，5)可以蚀刻的材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述阻挡层(6，6a)由InGaAsP或InGaAs构成，而邻接的p掺杂半导体层(4，5)由InP构成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，将所述有效区(3)设置在电场强的垂直强度分布的最大值，而将孔(10)范围内的隧道接触层(7)设置在电场强的垂直强度分布的最小值。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，将在所述孔(10)区域外的隧道接触层(7)设置在电场强的垂直强度分布的最大值。
7.一种表面发射的半导体激光器，包括具有pn结的有效区(3)，和设置在该有效区(3)的p侧上的隧道接触层(7)，所述有效区(3)由第一n掺杂半导体层(2)和至少一个p掺杂半导体层(4，5)包围，所述隧道接触层(7)与第二n掺杂半导体层邻接(8)，其中
除了形成孔(10)的区域之外，在用于隧道接触层(7)的层和所述至少一个p掺杂半导体层(4，5)之间设有n掺杂的阻挡层(6，6a)。
8.根据权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，在所述孔(10)的区域内所述隧道接触层(7)直接设置在所述p掺杂半导体层(4，5)上。
9.根据权利要求7或8所述的半导体激光器，其特征在于，所述阻挡层(6，6a)的层厚(d)为0＜d≤λ/2，其中d表示层厚，λ表示电场强的垂直强度分布中的两个最小值之间的距离。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述阻挡层(6，6a)由一种可选择为可相对于邻接的p掺杂半导体层(4，5)蚀刻的材料构成。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述阻挡层(6，6a)由InGaAsP构成，而邻接的p掺杂半导体层(4，5)由InP构成。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，将所述有效区(3)设置在电场强的垂直强度分布的最大值，而将孔(10)区域内的隧道接触层(7)设置在电场强的垂直强度分布的最小值。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，将在所述孔(10)区域外的隧道接触层(7)设置在电场强的垂直强度分布的最大值。
14.根据权利要求7至13中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，与所述隧道接触层(7)邻接的第二n参杂半导体层(8)至少部分地与另一个n掺杂的接触层(9)连接。
15.根据权利要求7至14中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，与所述隧道接触层(7)邻接的第二n参杂半导体层(8)至少部分地与介电镜像(12)连接。
16.根据权利要求7至15中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一n掺杂半导体层(2)构成为n掺杂的外延布拉格镜像。
17.根据权利要求7至16中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，作为所述至少一个p掺杂半导体层(4，5)设置p掺杂的InP层或InAlAs层(4)。
18.根据权利要求7至17中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，作为所述至少一个p掺杂半导体层(4，5)设置p掺杂的InAlAs层(4)和p掺杂的InP层或InGaAs层(5)。
19.根据权利要求7至18中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，用于隧道接触层(7)的层分别由高p和n掺杂的InGaAs层构成。
20.根据权利要求7至19中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述与隧道接触层(7)邻接的第二n掺杂半导体层由InP构成。
21.根据权利要求7至20中任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述接触层(9)由高n掺杂的InGaAs构成。
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