專利名稱：具有集成監(jiān)測(cè)光電二極管的發(fā)光器件發(fā)明背景的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及垂直腔面發(fā)射激光器。更具體地，本發(fā)明涉及與垂直腔面發(fā)射激光器一起使用光電二極管。
背景技術(shù)：
在從輸出用于引起注意的激光束的簡(jiǎn)單激光指示器到用于長(zhǎng)距離傳輸高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的高速調(diào)制激光器的應(yīng)用范圍中，激光器成為有用的設(shè)備。存在幾種不同類型的激光器，并發(fā)現(xiàn)其在目前應(yīng)用中的用途。一種類型的激光器是邊緣發(fā)射激光器，它通過(guò)從半導(dǎo)體晶片劈二極管形成。從半導(dǎo)體晶片劈二極管可形成鏡，所述鏡形成由激光二極管的邊緣限定的激光腔。邊緣發(fā)射激光器可以設(shè)計(jì)成從所述邊緣之一發(fā)射出比其他的邊緣更強(qiáng)的激光束。然而，一些激光能量將在其他邊緣發(fā)射。當(dāng)需要較高光功率時(shí)，通常使用邊緣發(fā)射激光器。
通常使用的第二種類型的激光器被稱為垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。VCSEL通過(guò)由分布的Bragg反射器(DBR)半導(dǎo)體層形成第一鏡而部分地形成。DBR層交替高折射率和低折射率，以引起鏡像效應(yīng)。然后在第一鏡上形成有源層。使用多個(gè)DBR半導(dǎo)體層，在所述有源層上形成第二鏡。這樣，頂部和底部鏡限定所述的VCSEL激光腔，使得從所述激光器的表面發(fā)射激光束。激光二極管一般使用正向偏置進(jìn)行工作。為了使激光二極管正向偏置，將電壓施加到陽(yáng)極，并將較低電壓或地連接到陰極。
在一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用中，所述激光器可以開(kāi)環(huán)工作。即，激光器不需要反饋，或可無(wú)反饋地令人滿意地工作。例如，在大多數(shù)激光指示器應(yīng)用中，可以不參照實(shí)際輸出功率，而控制激光束的輸出功率。在其他的應(yīng)用中，在激光器工作時(shí)，精確地計(jì)量激光器發(fā)射的實(shí)際輸出功率的量是很重要的。例如，在通信應(yīng)用中，知道激光器的實(shí)際輸出功率是有用的，使得可以調(diào)節(jié)激光器的輸出功率以遵循各種標(biāo)準(zhǔn)或其他要求。
許多應(yīng)用結(jié)合使用激光器和光電二極管或其他光敏器件，以控制激光器的輸出。光電二極管具有隨著光照射二極管而改變的電流特征。光電二極管或者沒(méi)有偏置或在反向偏置配置中實(shí)現(xiàn)，使得陰極連接到高電壓而陽(yáng)極連接到低電壓或地。在反向偏置或無(wú)偏置配置的光電二極管中，當(dāng)光照射光電二極管時(shí)，在所述光電二極管中產(chǎn)生電流。適當(dāng)放置的光電二極管可以在反饋電路中用作控制激光器的一個(gè)元件。例如，用于邊緣發(fā)射激光器應(yīng)用的光電二極管可以置于邊緣發(fā)射激光二極管的一個(gè)邊緣上。雖然每個(gè)邊緣處的功率輸出可以不同，但是邊緣發(fā)射激光二極管中的每個(gè)邊緣處的功率與其他邊緣處的功率輸出按一定的因數(shù)成比例。類似地，光電二極管可用來(lái)監(jiān)測(cè)其他類型激光器的輸出功率。
當(dāng)一起實(shí)現(xiàn)激光二極管和光電二極管時(shí)，存在各種困難。雖然激光二極管和光電二極管共有相似的結(jié)構(gòu)和組成，但是它們通常實(shí)現(xiàn)為單獨(dú)的器件。這使得單個(gè)電源用于偏置激光二極管和光電二極管，所述激光二極管和光電二極管使用相反的極性偏置。然而使用兩個(gè)分離的元件導(dǎo)致成本增加。
已經(jīng)嘗試在單個(gè)晶片襯底上單片集成激光二極管和光電二極管。然而，如上所述，這需要使用兩個(gè)電源，如激光二極管和光電二極管使用共同的陰極或陽(yáng)極時(shí)。另外，光電二極管可以置于VCSEL的頂部，或置于為VCSEL一部分的鏡之內(nèi)。然而這具有令人遺憾的的缺點(diǎn)，導(dǎo)致光電二極管變成激光器的光學(xué)體的一部分，特別是鏡，因此改變激光器的光學(xué)特征。
因此，可使用單個(gè)電源的單片地實(shí)現(xiàn)激光二極管和光電二極管的機(jī)制是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括單片地結(jié)合激光二極管和光電二極管的光電子器件。所述光電子器件包括包含第一PN結(jié)的VCSEL二極管。所述第一PN結(jié)包括第一p層和第一n層。隧道二極管被單片地連接到VCSEL二極管。所述隧道二極管包括高度摻雜的n+層和高度摻雜的p+層。光電二極管單片地連接到所述隧道二極管。所述光電二極管包括第二PN結(jié)。取決于所述光電子器件的其他特征，所述第二PN結(jié)可包括所述隧道二極管的高度摻雜的p+和n+層之一。
本發(fā)明的另一實(shí)施例包括制造光電子器件，如單片形成的激光二極管和光電二極管的方法。所述方法包括在晶片上形成光電二極管。然后在所述光電二極管上形成隧道二極管，其中所述隧道二極管電連接到所述光電二極管。然后在所述隧道二極管上形成VCSEL二極管，其中所述VCSEL二極管電連接到所述隧道二極管。
本發(fā)明的一些實(shí)施例可包括其他特征，如為用于自混合應(yīng)用而優(yōu)化。通過(guò)增加激光二極管對(duì)光反射的敏感度，并通過(guò)使用偏置電流控制激光波長(zhǎng)，可以制造自混合光電子器件。這些器件可以用于制造各種設(shè)備，如光標(biāo)指示器，成像設(shè)備，線性測(cè)量設(shè)備等。
本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及包括激光二極管和光電二極管的單個(gè)結(jié)構(gòu)。此外，因?yàn)檫@些實(shí)施例的特殊結(jié)構(gòu)，與正的和負(fù)的電源相反，可使用單個(gè)電源為激光二極管和光電二極管偏置電路供電。
從以下的說(shuō)明和所附的權(quán)利要求，本發(fā)明的這些及其他優(yōu)點(diǎn)會(huì)更加明顯，或可以通過(guò)如下所述的實(shí)施中得知。


為得到本發(fā)明如上所述的及其他的優(yōu)點(diǎn)和特征，將參照附圖中說(shuō)明的具體實(shí)施例，更具體地說(shuō)明如上簡(jiǎn)要說(shuō)明的本發(fā)明。應(yīng)理解這些附圖僅顯示本發(fā)明典型的實(shí)施例，并不能因此被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明將通過(guò)使用附圖，進(jìn)一步具體和詳細(xì)地說(shuō)明和解釋，在附圖中圖1所示為包括激光二極管，隧道二極管和光電二極管的外延結(jié)構(gòu)；圖2A所示為包括激光二極管和光電二極管的單片結(jié)構(gòu)，其中所述單片結(jié)構(gòu)也包括光刻形成的接觸和隔離屏障；圖2B所示為單片形成的激光二極管和光電二極管的頂視圖；圖3所示為圖2A所示的器件示意圖；圖4所示為包括通過(guò)隧道二極管連接的激光二極管和光電二極管的單片結(jié)構(gòu)，其中接觸連接到隧道二極管的n層；圖5所示為單片結(jié)構(gòu)，其中為自混合應(yīng)用中使用的激光器而優(yōu)化；以及圖6所示為閾值電流相對(duì)于溫度的圖，用于說(shuō)明對(duì)于自混合應(yīng)用中使用的激光器的線寬增強(qiáng)因子的優(yōu)化。
具體實(shí)施例本發(fā)明一些示例性實(shí)施例包括單片形成的激光二極管和光電二極管。激光二極管和光電二極管是通過(guò)隧道二極管連接的，使得可以使用單個(gè)電源為激光二極管和光電二極管供電。形成適當(dāng)?shù)慕佑|，以使得可以接通激光二極管、隧道二極管和光電二極管的各個(gè)結(jié)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，示出了包括外延結(jié)構(gòu)100的光電子器件的例子，所述外延結(jié)構(gòu)包括在晶片襯底上形成的層。在一個(gè)實(shí)施例中，使用GaAs晶片生長(zhǎng)所述結(jié)構(gòu)100。然而，也可使用其他的III-V(三-五)半導(dǎo)體組合。圖1示出了垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)101。所示例中的VCSEL 101包括頂部鏡102，有源區(qū)104，和底部鏡106。有源區(qū)104中存在PN結(jié)。
在底部鏡106下面形成間隔層111。所述間隔層111優(yōu)選為約5λ/4或7λ/4，其中λ是VCSEL 101要發(fā)射的光的波長(zhǎng)。間隔層111可為波長(zhǎng)的任意整奇數(shù)倍(即，(1+n)λ/4，其中n是整數(shù))，其厚度足以引起在所述外延結(jié)構(gòu)100的多個(gè)層中可發(fā)生的不均勻性。所述間隔層111必須足夠厚，以使得對(duì)間隔層111進(jìn)行蝕刻時(shí)，最深的不均勻處不完全穿透間隔層111，以及最淺的部分達(dá)到間隔層111。因此目標(biāo)是暴露間隔層111，但是在任一點(diǎn)都不完全穿透間隔層111。后續(xù)處理使用選擇性的蝕刻劑，如稀釋的氫氟酸，以使間隔下面的層均勻地暴露。
外延結(jié)構(gòu)100進(jìn)一步包括隧道二極管108，其形成在VCSEL 101上并電連接到VCSEL 101。隧道二極管108包括高度摻雜的n+層110和高度摻雜的p+層112。
所述外延結(jié)構(gòu)100進(jìn)一步包括光電二極管，其形成在隧道二極管108上并電連接到隧道二極管108，所述光電二極管包括第二PN結(jié)，所述第二PN結(jié)由隧道二極管108的高度摻雜的p+層112和輕度摻雜的光電二極管n層114組成。在p+層112和光電二極管n層114之間還可裝配并非高度摻雜的附加的p層(未示出)。在一個(gè)實(shí)施例中，在n型襯底116上構(gòu)造外延結(jié)構(gòu)100。盡管襯底116在圖1中顯示為薄層，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中所述襯底實(shí)際為幾百微米，而包括光電二極管，隧道二極管108，和激光二極管101的外延的結(jié)構(gòu)為約10微米。通常使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)工藝生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)100。
頂部鏡102為分布的Bragg反射器(DBR)，其通常包括許多具有高折射率和低折射率的交替層。這樣產(chǎn)生具有高反射率的鏡，約99.5％。在所示例中，頂部鏡由p型材料構(gòu)成，比如碳摻雜的砷化鋁鎵(AlGaAs)，其中鋁的百分比可以為0％～100％。頂部鏡102包括約20個(gè)鏡周期，其中每個(gè)周期包括高折射率層和低折射率層。
有源區(qū)104包括許多激發(fā)激光能量發(fā)射的量子阱。在所示實(shí)施例中，有源區(qū)104小于1微米。
有源區(qū)下面為底部鏡106。底部鏡由約30～35個(gè)摻雜的n型鏡周期組成。硅為可用于底部鏡的摻雜劑的一個(gè)例子。
如前所述，隧道二極管108包括高度摻雜的n+層110和高度摻雜的p+層112。為實(shí)現(xiàn)高度摻雜，可需要制造超點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。例如，可能需要包括GaAs層和InGaAs層而不僅僅是GaAs層，以調(diào)節(jié)帶隙和摻雜屬性，改進(jìn)隧道二極管108。還希望隧道二極管108稍微透明，以使得光能量能通過(guò)以到達(dá)光電二極管層114。在一個(gè)實(shí)施例中，這可以通過(guò)在高度摻雜的n+層110上增加摻雜而完成，以通過(guò)所謂的Burstein遷移增加透明度。
平衡高度摻雜的p+層112的厚度是有利的，使得存在通過(guò)隧道二極管108的適當(dāng)?shù)膫鲗?dǎo)性，同時(shí)保持適當(dāng)?shù)耐该鞫?。因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，高度摻雜的p+層112約50～100納米，優(yōu)選至少3×1019的P型材料(例如，當(dāng)用于850nm激光器時(shí))。高度摻雜的n+層幾乎可為任何實(shí)用的厚度，而不產(chǎn)生光學(xué)損失。
隧道二極管108下面為光電二極管118。應(yīng)該構(gòu)造光電二極管118，以對(duì)入射光具有適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)性。因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光電二極管118包括輕度摻雜的n層114，當(dāng)VCSEL 101被設(shè)計(jì)成發(fā)射850nm波長(zhǎng)時(shí)，其約為3微米或更小。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括約1.5微米的輕度摻雜的n層。明顯地，輕度摻雜的n層114的厚度可用于調(diào)節(jié)光電二極管的響應(yīng)性和速度。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2A，示出了一個(gè)實(shí)施例，其中經(jīng)過(guò)光刻工藝形成接觸和氧化層。接觸的形成使得施加適當(dāng)?shù)钠?，并從VCSEL 101和光電二極管118讀出信號(hào)。光刻工藝包括一系列步驟，其中光致抗蝕劑被施加到外延層100。所述光致抗蝕劑然后光刻曝光成各種圖案。光刻曝光使得光致抗蝕劑的圖案保留在外延層100上，同時(shí)剩余的光致抗蝕劑可以從外延層100洗去。
保留在外延層100的光致抗蝕劑圖案阻止離子注入外延層100，阻止金屬沉積在外延層100上，以及阻止蝕刻溶液蝕刻部分外延層100。因此，使用適當(dāng)?shù)墓饪坦に?，可以?gòu)造包括VCSEL 101，隧道二極管108和光電二極管118的單片結(jié)構(gòu)200，其具有適當(dāng)?shù)慕佑|并與在晶片上同時(shí)制造的其他器件具有適當(dāng)?shù)母綦x。
在圖2A所示的實(shí)施例中，形成隧道二極管觸電222使得其連接到高度摻雜的p層112。形成VCSEL接觸224使得其連接到VCSEL 101的頂部鏡102?？梢栽谝r底116底部形成另一個(gè)接觸，以提供對(duì)光電二極管118適當(dāng)?shù)慕佑|。形成隔離屏障226以使VCSEL 101和光電二極管118與形成在襯底116上的其他器件隔離。在頂部鏡102中氧化出孔228?？?28主要用于引導(dǎo)電流流過(guò)VCSEL 101。
更具體地，由外延結(jié)構(gòu)100制造光電子器件200。外延結(jié)構(gòu)100具有生長(zhǎng)于其上的電介質(zhì)比如二氧化硅或氮化硅，以形成部分電介質(zhì)層230。使用刻蝕工藝，用淺溝槽掩模去除部分氧化物。使用蝕刻工藝在VCSEL101中形成淺溝槽232。然后可以在VCSEL 101中氧化出孔228。
然后可以使用深溝槽掩模蝕刻深溝槽234。可使用蝕刻以蝕刻下至厚AlAs間隔111。該間隔可為AlAs或其他的AlGaAs化合物，只要鋁的百分比基本上大于下面的層中鋁的百分比。可使用停止蝕刻以蝕刻穿過(guò)AlAs間隔111到n+層110。可使用另一蝕刻以蝕刻穿過(guò)n+層110到p+層112。在此時(shí)，可生長(zhǎng)附加的氧化物，其形成電介質(zhì)層的附加部分230。除去電介質(zhì)層部分230，隨后沉積金屬以在光電子器件200上形成接觸222、224。
光電子器件結(jié)構(gòu)和接觸的頂視圖如圖2B所示。圖2B示出了隧道二極管接觸222和VCSEL接觸224的布置。雖然示出了單個(gè)隧道二極管接觸222，在其他的實(shí)施例中，可以與隧道二極管接觸222相對(duì)形成附加的隧道二極管接觸，用于在封裝光電子器件結(jié)構(gòu)時(shí)提供附加的引線接合選擇。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，示出了圖2的器件的示意圖。圖3的示意圖300示出了VCSEL二極管302，在VCSEL二極管302的陽(yáng)極具有VCSEL接觸353。VCSEL二極管302的陰極連接到隧道二極管308的陰極。隧道二極管308的陽(yáng)極在節(jié)點(diǎn)362處連接到光電二極管318的陽(yáng)極。在隧道二極管308的陽(yáng)極和光電二極管318的陽(yáng)極具有隧道結(jié)接觸358。光電二極管接觸360連接到光電二極管356的陰極。在一個(gè)應(yīng)用中，隧道結(jié)接觸358可連接到地。電源電壓可以連接到VCSEL接觸353和光電二極管接觸360?？商鎿Q地，如果希望以不同的電壓水平偏置VCSEL二極管302和光電二極管318，電壓水平之一可以通過(guò)如使用增壓轉(zhuǎn)換器或其他的電壓轉(zhuǎn)換器而從電源電壓獲得。無(wú)論如何，使用所示的特殊實(shí)施例，可以使用單電壓電源操作VCSEL二極管302和光電二極管318。
在本發(fā)明的實(shí)施例的范圍之內(nèi)可實(shí)現(xiàn)其他的實(shí)施例。例如，與圖2A中所示的隧道二極管接觸222連接到高度摻雜的p+層112相反，圖4示出了一個(gè)例子，其中隧道二極管接觸222連接到高度摻雜的n+層110。示意地，這使得圖3所示的隧道結(jié)接觸358位于VCSEL二極管302和隧道二極管308的陰極之間(在節(jié)點(diǎn)362)。在一些實(shí)施例中這是有利的，因?yàn)樗档土吮仨毻ㄟ^(guò)隧道二極管308的電流的量。
在圖3所示的實(shí)施例中，源于VCSEL二極管302的電流也必須通過(guò)隧道二極管308。與經(jīng)過(guò)光電二極管318的電流相比，該電流可以相當(dāng)大。通過(guò)將隧道結(jié)接觸置于VCSEL二極管302和隧道二極管308的陰極之間(節(jié)點(diǎn)352)，使得僅通過(guò)光電二極管318的電流需要通過(guò)隧道二極管308。這使得隧道二極管層最小化以使它們的透明度最大化。也可實(shí)現(xiàn)其他的各種改變，比如每個(gè)二極管中反向的PN結(jié)層的順序。
再次參照?qǐng)D2A，將討論光電子器件200的優(yōu)化，其減輕有源區(qū)104的自發(fā)發(fā)射的影響。有源區(qū)具有可不必為產(chǎn)生激光的波長(zhǎng)的發(fā)射，即VCSEL101意欲操作的波長(zhǎng)。在光電二極管118希望僅檢測(cè)產(chǎn)生激光的波長(zhǎng)。為減少到達(dá)光電二極管118的自發(fā)發(fā)射的量，底部鏡106中的層具有高的Ga百分比，即，高折射率層，在其中可具有優(yōu)化的Ga量，使得它們能在產(chǎn)生激光的波長(zhǎng)之下大量吸收。
雖然在上述說(shuō)明中已結(jié)合VCSEL二極管進(jìn)行說(shuō)明，也可使用其他的光產(chǎn)生器件。例如，諧振腔發(fā)光二極管(RCLED)可以用作光產(chǎn)生器件代替VCSEL二極管。
發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的一些實(shí)施例在自混合激光器應(yīng)用中特別有用。自混合激光器應(yīng)用利用反射回激光腔中的激光功率，更特別是有源區(qū)中的。所述反射的激光功率改變激光器的輸出。如通過(guò)改變激光器的波長(zhǎng)或通過(guò)以各種拍頻波形圖調(diào)制激光輸出可以改變激光器的輸出。然而，激光器波長(zhǎng)的改變幾乎小得不可檢測(cè)。因此，波長(zhǎng)的改變可以作為光信號(hào)的相移而檢測(cè)。通過(guò)連續(xù)地監(jiān)測(cè)激光器的輸出，可以收集關(guān)于在激光器外部的條件信息。例如，使用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制和數(shù)字信號(hào)處理，可以收集關(guān)于激光器與目標(biāo)的距離，目標(biāo)相對(duì)于激光器的運(yùn)動(dòng)等信息。這使得激光器用于如成像，線性測(cè)量，光標(biāo)指示器等應(yīng)用。
可以通過(guò)增加和減少激光器輸出的光束的波長(zhǎng)來(lái)調(diào)制激光輸出，例如通過(guò)改變激光器的溫度。因此，如果可以控制激光器的溫度，也就可以控制激光器的輸出波長(zhǎng)。通過(guò)調(diào)制激光波長(zhǎng)，可將線性調(diào)頻脈沖，例如升高和降低頻率，可用于多普勒效應(yīng)檢測(cè)器。因此，集成的光電二極管對(duì)于自混合應(yīng)用中的監(jiān)測(cè)激光器輸出功率是有用的，其中多普勒效應(yīng)導(dǎo)致激光器的輸出改變。
本發(fā)明的一些實(shí)施例中，構(gòu)造一種結(jié)構(gòu)以優(yōu)化或提高反射、溫度改變等的影響。這可以通過(guò)優(yōu)化光學(xué)特征實(shí)現(xiàn)，如通過(guò)使得更多的光從激光器外面反射進(jìn)入有源區(qū)。其他的優(yōu)化設(shè)想使被溫度改變影響的激光器優(yōu)化，如通過(guò)改變激光器的導(dǎo)熱性/耐熱性或熱質(zhì)量特征。還有其他的優(yōu)化改變閾值電流相對(duì)于溫度的操作特征，以通過(guò)優(yōu)化線寬增強(qiáng)因子而改變激光器的特征。
下面的優(yōu)化特別適合于自混合應(yīng)用。因此應(yīng)該理解這些優(yōu)化僅僅是示例性的，并不是本發(fā)明的所有的實(shí)施例都需要。實(shí)際上，用于自混合應(yīng)用的優(yōu)化往往與可用于其他應(yīng)用的優(yōu)化相反。例如，雖然自混合應(yīng)用利用溫度改變和反射，其他的應(yīng)用，如通信應(yīng)用，試圖使這些及其他的影響最小化?，F(xiàn)在參考圖5討論這些用于自混合應(yīng)用的優(yōu)化。雖然以優(yōu)化為特征，本發(fā)明中使用的優(yōu)化不需要將元件優(yōu)化到它們的絕對(duì)最佳配置，而是構(gòu)造元件以增加對(duì)反射和熱變化的靈敏度。圖5示出了對(duì)于自混合應(yīng)用的優(yōu)化，以增加光電子器件對(duì)光反射，溫度改變等的靈敏度。圖5示出了包括具有集成的光電二極管的VCSEL 501的光電子器件500。
光學(xué)特征的優(yōu)化增加VCSEL 501的靈敏度的一種方法是通過(guò)構(gòu)造光電子器件500，以使得更多的光反射進(jìn)入有源區(qū)504。這可以通過(guò)將頂部鏡502中交替層的摻雜水平改變?yōu)楦p度的摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)。這導(dǎo)致頂部鏡502對(duì)于反射進(jìn)入有源區(qū)504的光是更透明的。
通過(guò)降低頂部鏡502的交替層中的摻雜，增加電阻。這導(dǎo)致VCSEL 501在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)。因此通過(guò)降低頂部鏡502中的摻雜，VCSEL 501的靈敏度通過(guò)更透明的頂部鏡502和VCSEL 501的增加的溫度靈敏度的綜合效應(yīng)而增加。
也可通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇頂部鏡502上電介質(zhì)層530的厚度使VCSEL 501的不透明度優(yōu)化。通常，希望使得頂部鏡502盡可能地反射。然而，在自混合應(yīng)用中，希望使得頂部鏡502較少反射，且更透明。為使得頂部鏡502更反射，將電介質(zhì)層530置于頂部鏡上，其中電介質(zhì)層的厚度約為激光器設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的半波長(zhǎng)的某個(gè)整倍數(shù)。為使得頂部鏡502更透明，可以設(shè)計(jì)電介質(zhì)層530使得其是四方之一波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。例如，可以選擇電介質(zhì)層530的厚度，使得厚度是(2n+1)λ/4，其中n是整數(shù)且λ是激光器的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)。優(yōu)化電介質(zhì)層530，可以基于頂部鏡502所需的不透明度使用其它的厚度。
熱特征的優(yōu)化增加VCSEL 501靈敏度的另一個(gè)方法是通過(guò)改變外延層的熱特征。更特別地，希望增加光電子器件500對(duì)溫度變化的靈敏度，使得能控制VCSEL 501的輸出波長(zhǎng)的調(diào)制。熱特征的優(yōu)化可分成不同種類，如例如，優(yōu)化熱阻抗和優(yōu)化熱質(zhì)量。
熱阻抗是器件導(dǎo)熱能力的度量。器件導(dǎo)熱的能力越差，施加熱時(shí)，器件中溫度會(huì)升高得越快。例如，如果器件對(duì)熱能的傳導(dǎo)性較低，給定水平的電流會(huì)引起器件的工作溫度更迅速地上升。這導(dǎo)致器件，如VCSEL 501的操作波長(zhǎng)的相應(yīng)改變。
熱質(zhì)量是對(duì)于給定量的熱，元件溫度上升的度量。越大的熱質(zhì)量表示對(duì)于給定量的熱，溫度不會(huì)快速地增加，以及溫度變化發(fā)生得更慢。增加熱質(zhì)量的一個(gè)方法是增加器件的物理質(zhì)量，或通過(guò)增加對(duì)能散熱器件的連接。例如，連接散熱片，如具有大量表面積的大片金屬，以增加熱質(zhì)量。本發(fā)明的一些實(shí)施例中，如自混合應(yīng)用，希望減少熱質(zhì)量以使基于VCSEL501中的電流改變的波長(zhǎng)改變優(yōu)化。
為通過(guò)降低熱質(zhì)量使得光電子器件500對(duì)溫度變化更敏感，可以通過(guò)最小化它們的物理尺寸以減小它們的散熱效果，來(lái)優(yōu)化接觸，如接觸524、522。在一個(gè)實(shí)施例中，將接觸設(shè)計(jì)成足以承載適當(dāng)?shù)仄煤蜑楣怆娮悠骷?00中各種二極管供電所需的電流量的最小尺寸。
通過(guò)降低導(dǎo)熱性增加光電子器件500的熱靈敏度的一個(gè)方法是通過(guò)在有源區(qū)周圍形成溝槽。這防止了一定量的熱從光電子器件500的產(chǎn)熱部分傳導(dǎo)到其他可提供散熱功能的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過(guò)優(yōu)化淺溝槽532形成溝槽以延伸到有源區(qū)504下面來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖5所示的例中，通過(guò)在有源區(qū)504下面延伸淺溝槽532，VCSEL 501變得對(duì)溫度變化更敏感。
優(yōu)化包括光電子器件500的光電子器件的熱傳導(dǎo)性的另一個(gè)方法是通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)牡撞跨R506的結(jié)構(gòu)。該鏡可以由交替的低折射率和高折射率層形成。顯著的，二元型材料，即由兩個(gè)元件形成的材料，比三元型材料，即由三個(gè)元件形成的材料，具有更高的熱傳導(dǎo)性。圖5中，底部鏡506中的高折射率層和低折射率層是AlGaAs，其中Al的百分比選自0％～100的范圍。較低折射率層具有較高的Al百分比。通過(guò)形成許多三元層，如有源區(qū)附近的AlGaAs，以及如果存在，使二元層，如AlAs和GaAs層，遠(yuǎn)離有源區(qū)，可以降低熱傳導(dǎo)性。
優(yōu)化光電子器件的自混合應(yīng)用的熱傳導(dǎo)性的另一種方法包括增加鏡502、506中鏡周期的數(shù)目。這導(dǎo)致VCSEL 501的熱傳導(dǎo)性的降低。為保持鏡502、506適當(dāng)?shù)姆瓷渎?，?dāng)結(jié)合以形成鏡502、506時(shí)，改變各個(gè)鏡周期中Al/Ga的比值以對(duì)于所有的鏡周期保持總的所需的反射率是有用的。
需要平衡導(dǎo)熱性和熱質(zhì)量以保持能夠迅速地改變溫度并因此改變波長(zhǎng)的能力。即，如果降低熱質(zhì)量，可以增加熱阻抗，以及如果增加熱阻抗，可以降低熱質(zhì)量。
增加器件的電阻抗通常導(dǎo)致給定的電流在器件中產(chǎn)生更多的熱。對(duì)于恒定的熱質(zhì)量和導(dǎo)熱性，增加產(chǎn)生的熱使工作溫度增加。如上所述，增加電阻抗的一個(gè)方法是通過(guò)減少頂部鏡502中的摻雜。底部鏡506中類似的摻雜的減少會(huì)有類似的影響。
優(yōu)化光電子器件500的電阻抗的另一個(gè)方法，是通過(guò)控制孔528的尺寸。通過(guò)氧化孔528更深入VCSEL 501結(jié)構(gòu)，減小孔528的開(kāi)口從而降低電流流過(guò)VCSEL 501的面積。這就增加了VCSEL 501的電阻抗。通過(guò)控制VCSEL 501的電阻抗，可使用電流控制調(diào)節(jié)VCSEL 501產(chǎn)生的熱，并因此調(diào)節(jié)VCSEL 501的工作溫度。
線寬增強(qiáng)因子的優(yōu)化一種優(yōu)化改變激光器的特征，以改變閾值電流相對(duì)于溫度的操作特征，其影響線寬增強(qiáng)因子?，F(xiàn)在參照?qǐng)D6，所示的曲線600示出了閾值電流和VCSEL的工作溫度之間的關(guān)系。曲線600所示的是點(diǎn)To，其中VCSEL的閾值電壓關(guān)于溫度處于其最低值。通過(guò)相對(duì)于預(yù)期的工作溫度將To調(diào)節(jié)到較高值，可以在自混合應(yīng)用中對(duì)VCSEL的靈敏度優(yōu)化。隨著To移動(dòng)到工作溫度以上，線寬增強(qiáng)因子增大。
本發(fā)明可以以其他的具體形式實(shí)施，而不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征。所述實(shí)施例在所有方面都僅是說(shuō)明性的，并不是限制性的。因此本發(fā)明的范圍通過(guò)所附的權(quán)利要求指定，而不是由上述說(shuō)明指定。在權(quán)利要求的等同的意義和范圍之內(nèi)的所有的改變都在其范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光電子器件，包括VCSEL二極管，其包括具有第一p層和第一n層的第一PN結(jié)；單片地耦合到所述VCSEL二極管的隧道二極管，所述隧道二極管包括高度摻雜的n+層和高度摻雜的p+層；以及單片地耦合到所述隧道二極管的光電二極管，所述隧道二極管包括第二PN結(jié)。
2.如權(quán)利要求1的光電子器件，其中所述第二PN結(jié)包括所述高度摻雜的n+層和所述高度摻雜的p+層中之一。
3.如權(quán)利要求1的光電子器件，其中所述第一n層附在所述n+層上。
4.如權(quán)利要求1的光電子器件，其中所述第一p層附在所述p+層上。
5.如權(quán)利要求1的光電子器件，還包括耦合到所述n+層的隧道結(jié)接觸。
6.如權(quán)利要求1的光電子器件，還包括耦合到所述p+層的隧道結(jié)接觸。
7.如權(quán)利要求1的光電子器件，其中所述第一PN結(jié)包括p型DBR鏡；耦合到所述p型DBR鏡的VCSEL有源區(qū)；耦合到所述VCSEL有源區(qū)的n型DBR鏡；以及其中所述p型DBR鏡包括具有為更透明的鏡而優(yōu)化的摻雜的層。
8.如權(quán)利要求1的光電子器件，還包括耦合到所述VCSEL的第一接觸；耦合到所述隧道二極管的第二接觸；耦合到所述光電二極管的第三接觸；其中所述接觸被優(yōu)化，以減小所述光電子器件的熱質(zhì)量。
9.如權(quán)利要求1的光電子器件，其中所述VCSEL包括有源區(qū)，所述光電子器件還包括在所述有源區(qū)周圍的溝槽，所述溝槽被優(yōu)化以減小所述光電子器件的熱傳導(dǎo)性。
10.如權(quán)利要求9的光電子器件，其中所述溝槽包括優(yōu)化的半徑。
11.如權(quán)利要求1的光電子器件，其中所述隧道二極管包括InGaAs超點(diǎn)陣。
12.如權(quán)利要求1的光電子器件，還包括置于所述VCSEL上的電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層被優(yōu)化以使得所述VCSEL更透明。
13.如權(quán)利要求12的光電子器件，其中所述電介質(zhì)層的厚度約為((2n+1)/4)*λ，其中n為整數(shù)，λ等于所述VCSEL的設(shè)計(jì)波長(zhǎng)。
14.如權(quán)利要求1的光電子器件，其中所述第一PN結(jié)包括p型DBR鏡；耦合到所述p型DBR鏡的VCSEL有源區(qū)；耦合到所述VCSEL有源區(qū)的n型DBR鏡；以及其中所述n型DBR鏡包括高折射率和低折射率層的交替層，其中在所述有源區(qū)附近的多個(gè)所述低折射率層包括AlGaAs，以及遠(yuǎn)離所述有源區(qū)的多個(gè)所述低折射率層包括AlAs和GaAs，以優(yōu)化用于自混合應(yīng)用的所述光電子器件的熱傳導(dǎo)性。
15.如權(quán)利要求1的光電子器件，所述VCSEL還包括為自混合應(yīng)用而優(yōu)化的T0。
16.如權(quán)利要求1的光電子器件，所述VCSEL還包括底部鏡，所述底部鏡包括交替的高折射率和低折射率層，其中底部鏡的交替層的至少一部分包括為降低自發(fā)發(fā)射到達(dá)所述光電二極管而優(yōu)化的Ga百分比。
17.一種制造光電子器件的方法，所述方法包括在晶片上形成光電二極管；在所述光電二極管上形成隧道二極管，所述隧道二極管電連接到所述光電二極管；以及在所述隧道二極管上形成VCSEL二極管，所述VCSEL二極管電連接到所述隧道二極管。
18.如權(quán)利要求16的方法，其中在晶片上形成光電二極管包括形成n層和p+層。
19.如權(quán)利要求18的方法，其中形成隧道二極管包括在所述p+層上形成n+層。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中形成激光二極管包括在所述n+層上形成激光器n層，以及在所述p+層上形成激光器p層。
21.一種光電子器件，包括LED，其包括具有第一p層和第一n層的第一PN結(jié)；單片地耦合到RCLED的隧道二極管，所述隧道二極管包括高度摻雜的n+層和高度摻雜的p+層；以及單片地耦合到所述隧道二極管的光電二極管，所述隧道二極管包括第二PN結(jié)。
全文摘要
單片形成的激光器和光電二極管。所述單片形成的激光器和光電二極管包括包含第一PN結(jié)的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。所述第一PN結(jié)包括第一p層和第一n層。通過(guò)晶片制造工藝，隧道二極管物理地和電地連接到VCSEL。光電二極管連接到隧道二極管。所述光電二極管通過(guò)物理的和電的連接而連接到所述隧道二極管。所述隧道二極管和光電二極管可共用某些共同的層。所述隧道二極管包括第二PN結(jié)。所述單片形成的激光器和光電二極管允許具有二極管偏置靈活性的集成結(jié)構(gòu)，包括使用單個(gè)電源以使所述激光器和光電二極管偏置。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101048921SQ200580020841
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月25日
發(fā)明者詹姆斯·岡特 申請(qǐng)人:菲尼薩公司