專利名稱：紅光激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)芯片和部件。
背景技術：
VCSEL是光纖光數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的重要光源。在這些系統(tǒng)中已使用 的多數(shù)器件發(fā)射的光在830至860nm波長范圍中。然而，已經制造出 的VCSEL說明了等于以下波長或在以下波長值附近的發(fā)射660nm、 780腿、850腿、980腿、13IO腿禾卩1550謹。
在重視發(fā)射光能夠被人眼看見的應用中，對紅光發(fā)射VCSEL ( 660nm)非常關心。例如，調諧用于檢測這種發(fā)射光的光電傳感器 可以用于感應被該光照射的對象的存在/不存在、距離或其他屬性。為 了傳感器對準的目的，觀察者看見發(fā)射光束的能力是有利的。條形碼 掃描器是這種傳感器的一種特殊情況，用戶更喜歡使用可見波長的光， 使得他們能夠更容易地將光束對準條形碼。化學、生物或醫(yī)學傳感器 可以利用具有特定發(fā)射波長或波長范圍的光的吸收或散射。 一個這樣 的示例是脈沖血氧計，脈沖血氧計依靠665nm和905nm波長光源的 相對吸收來確定被測血液的氧含量。顯示器或印刷設備可以依靠這種 較短波長的發(fā)射光來提供較高的分辨率。
具有這種紅光發(fā)射VCSEL的系統(tǒng)的期望用途確定了其屬性，所 關心的屬性包括發(fā)射光波長、功率轉換效率、發(fā)射發(fā)散角和發(fā)射模式 結構。模式結構描述了發(fā)射光束的形狀。 一些用途需要單模器件，即 具有均勻的圓形高斯形光發(fā)射強度輪廓。圖1是在襯底1上形成的典型薄膜半導體材料紅光發(fā)射VCSEL
結構的很一般的示意分層圖。由AlGaAs材料來構造形成光諧振腔的 反射鏡2、 3，該AlGaAs材料由成分近似為Alo.5GaQ.5As的相對較大折 射率的薄膜層與成分為AlxGai.xAs (其中摩爾分數(shù)xX).85)的相對較 小折射率的薄膜層交替而成。每個這樣的層的厚度與期望由VCSEL 發(fā)射的光在該層所關心的材料中的光波長的四分之一 (人/4)相對應。 光學厚度由波長除以折射率來定義。例如，如果發(fā)射波長是670nm， 成分為具有3.65折射率的GalnP。與該材料中的一個波長相對應的光 學厚度則是(670nm)/3.65483.6nm。在反射鏡內，層為四分之一波長 厚，因此，反射鏡層的厚度將在45nm范圍內。這樣兩種材料的交替 的四分之一波長厚的層的許多周期(>20)形成了在期望發(fā)射波長上 的高反射率反射鏡。反射鏡2被摻雜為具有n型導電性，反射鏡3被 摻雜為具有p型導電性，反射鏡3上具有高度摻雜的摻雜漸變
(grading)層3，，層3，的厚度為2nX/4，其中n是整數(shù)。
由AlGalnP材料系來形成反射鏡2和3之間的VCSEL有源區(qū)4。 在由成分近似等于Gao.5Ino.5P的相應薄膜形成的結構中，包括一個或 更多量子阱。注入的載流子被這些量子阱捕獲，并復合從而發(fā)光。每 個量子阱薄膜的成分和厚度一起確定了量子阱的發(fā)射或光致發(fā)光波 長。這些量子阱由AlGalnP組成的阻擋薄膜層間隔開，并在有源區(qū)4 的每一側通過覆層或限制層5和6 (也由AlGalnP組成)將其一起限 制，其中，選擇阻擋層和覆層的成分使得它們的晶格常數(shù)與用作器件 襯底的GaAs相匹配，并使得它們具有大于GalnP的帶隙，從而提供 了光子限制。典型地，有源區(qū)的總厚度典型地為期望由VCSEL發(fā)射 的光的一個波長(IX)厚，但是它可以是半發(fā)射波長的任一整數(shù)倍
(nV2)。在摻雜漸變層3'上提供了高度摻雜的GaAs覆蓋層7，它們 一起降低了橫向方向上的電阻。
對總體VCSEL外延結構的一個限制是該結構中層的晶格常數(shù)或 參數(shù)近似等于其下的GaAs襯底的晶格常數(shù)或參數(shù)。如果不是這樣， 則可以形成晶格缺陷，晶格缺陷可能隨著器件的使用而導致對器件的 損壞，因此限制了器件的可靠性或壽命。在AlGaAs材料系中，在從AlAs至GaAs范圍內鋁和鎵之間替換所得的所有可能成分，都滿足該 條件。然而，在AlGalnP材料系中，僅有(AlxGa,-x)ylnLyP相對應的成 分才滿足該條件，其中摩爾分數(shù)y^.51。在不影響與GaAs的晶格匹 配的情況下，摩爾分數(shù)x可以從0至l.O調整。然而，通過略微調整 y值和層厚，從而向量子阱和阻擋層加入少量應變，可以對AlGalnP 中的帶隙不連續(xù)性進行一些調整。如果應變層的總厚度保持充分薄 (100-200mn)，則不會形成缺陷，不影響器件的可靠性。
如圖1的具有相同半導體材料層的VCSEL結構的更一般的示意 分層2所示，使用離子注入和氧化物孔徑形成的標準技術，可以 將電流限制至結構中的所需位置。圖2示出了這樣的結構，如注入或 氧化物限制層8以及具有發(fā)射孔徑的頂部金屬互連9。襯底1在其暴 露的外表面上設有另一金屬互連1，。為此目的，存在其他可用選擇， 在其他波長上發(fā)射光的VCSEL已經說明了這些選擇。
己經說明了紅光發(fā)射VCSEL，但是，典型地，其操作溫度范圍是 有限的，而且，最大輸出功率，尤其是單模輸出功率也是有限的。對 于較短波長的器件，這些限制變得更加明顯。由于AlGalnP-AlGaAs 材料系中較小的帶隙不連續(xù)性以及較低的導熱性，如果發(fā)射波長減小 或操作溫度升高，或兩者皆有，則紅光發(fā)射VCSEL的輸出功率下降。 較小的帶隙不連續(xù)性意味著應由量子阱捕獲并在其中復合以發(fā)射光的 載流子代之以逃離，因此對光的輸出沒有貢獻。隨著溫度升高，電荷 載流子甚至更可能逃離這些阱。對于較短波長的器件，量子阱需要更 淺以產生更高能量或更短波長的光，但是這也促進了電荷載流子的逃 離。因此，例如，在650nm上發(fā)射的器件與在670nm上發(fā)射的器件 相比，其中實現(xiàn)高性能的難度明顯增大。
在操作的溫度范圍中起作用的另一個問題是AlGaAs反射鏡的電 阻。構成該反射鏡的約50%厚度的AlQ.5GaQ.5AS成分具有很差的導熱 性。此外，反射鏡中的許多周期促進了電阻的增大，這產生了附加的 發(fā)熱。該附加發(fā)熱與該材料系對溫度的極大敏感性相結合加劇了這個 問題。這些因素的結合使得提供一種具有充分的單模輸出功率的紅光 發(fā)射VCSEL尤為困難。此外，單模器件的較小孔徑尺寸典型地意味著這些器件發(fā)熱更快。因此，希望擁有一種被配置為較少受到這些限 制所限的紅光發(fā)射VCSEL器件。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種用于發(fā)射窄線寬光的半導體材料垂直腔面發(fā)射 激光器，包括復合半導體材料襯底和襯底上的第一反射鏡結構中第一 導電性類型的半導體材料層的至少兩個第一反射鏡對，所述第一反射 鏡對中的每個半導體材料層在至少一個組分濃度上互相不同，每個第 一反射鏡對由具有漸變組分濃度的第一反射鏡間隔層互相分離。在所 述第一反射鏡結構上的有源區(qū)具有多個量子阱結構，所述量子阱結構 由至少一個有源區(qū)間隔層分離，以及有源區(qū)上的第二反射鏡結構中第 二導電性類型的半導體材料層的至少兩個第二反射鏡對，所述第二反 射鏡對中的每個半導體材料層在至少一個組分濃度上互相不同，每個 第二反射鏡對由具有漸變組分濃度的第二反射鏡間隔層互相分離。所 述襯底、所述第一反射鏡結構、所述有源區(qū)和所述第二反射鏡結構分 離了電互連對。所述量子阱結構可以在一個方向上受到應力，而所述 有源區(qū)間隔層在相反的方向上受到應力。


圖1示出了紅光發(fā)射VCSEL的外延層結構的一般示意分層圖， 圖2示出了加入電操作結構的紅光發(fā)射VCSEL結構的更一般的 示意分層圖，
圖3示出了說明實施本發(fā)明的紅光發(fā)射VCSEL的外延分層結構 的表格，
圖4示出了實施本發(fā)明的一部分的示意分層圖的一部分， 圖5示出了實施本發(fā)明的一部分的示意分層圖的一部分， 圖6示出了說明本發(fā)明的可選紅光發(fā)射VCSEL的外延分層結構 的另一個表格，
圖7示出了實施本發(fā)明的一部分的示意分層圖的一部分， 圖8示出了實施本發(fā)明的一部分的示意分層圖的一部分，圖9示出了具有電操作結構的、實施本發(fā)明的可選紅光發(fā)射
VCSEL示意分層圖，
圖IO示出了圖9所示的紅光發(fā)射VCSEL器件的頂視圖，
圖11示出了具有電操作結構的、實施本發(fā)明的可選紅光發(fā)射 VCSEL示意分層圖，
圖12示出了具有電操作結構的、實施本發(fā)明的可選紅光發(fā)射 VCSEL示意分層圖，
圖13示出了具有電操作結構的、實施本發(fā)明的可選紅光發(fā)射 VCSEL示意分層圖，
圖14示出了實施本發(fā)明的可選紅光發(fā)射VCSEL示意分層圖，
圖15示出了具有本發(fā)明的紅光發(fā)射VCSEL器件陣列的單片集成 電路芯片的布圖，
圖16示出了用于本發(fā)明的紅光發(fā)射VCSEL器件陣列的封罩布
置，
圖17示出了用于本發(fā)明的紅光發(fā)射VCSEL器件陣列的封罩布 置，以及
圖18示出了用于本發(fā)明的紅光發(fā)射VCSEL器件的封罩布置。
具體實施例方式
圖3是針對紅光發(fā)射VCSEL器件的表格式分層列表，表示了用于 紅光VCSEL器件(減輕了上述限制的器件)的薄膜半導體材料外延層。 針對VCSEL器件結構的表中的33層中的每一層，規(guī)定了其成分、厚度、
摻雜物類型和摻雜物濃度。
該外延結構生長在n型摻雜的GaAs半導體材料襯底上，在表中使 用層號0來標注該襯底。之上要沉積其他層的襯底主表面應與(100) 方向偏差6至10。。該選擇改善了產生發(fā)射光的有源區(qū)的AlGalnP層的光 學質量。然而，更高程度的定向偏差導致反射鏡的高含鋁量層趨于加 速氧化或退化。
器件反射鏡2，和3'由兩種主要層在器件疊層中互相交替組成，其 中每個包括兩種不同成分的AlxGai_xAs之 一 ，即無鎵的AlAs層與Alo.5Ga^As層交替。這些主要層它們之間的層間隔開，在間隔層中，
鋁和鎵的分布是摩爾分數(shù)在層厚度上單調漸變，以匹配在漸變間隔層 每一側的主要層中的鎵含量。雖然希望兩個主要層的鎵含量盡可能不 同，以最大化對期望發(fā)射的光的反射率，但是，最小的鋁成分被限制
在摩爾分數(shù)值x-0.5左右，以消除由于帶邊緣而導致的吸收。
使用硅將與襯底最接近的反射鏡2，摻雜為n型導電性?？蛇x地，可 以使用許多其他n型摻雜物，包括碲和硒。在器件有源區(qū)4，相反側的反 射鏡3，具有相同的成分范圍以及兩個主要層之間類似的單調漸變間隔 層，但是使用碳將其摻雜為p型導電性?？蛇x地，可以使用其他p型摻 雜物，如鋅或鎂。反射鏡層的重復周期總厚度是1/2人，其中人是在650nm 至680nm范圍內的所需波長。
具體的層厚度和摻雜濃度被選擇為最小化器件的電阻，而對反射
鏡的光反射率或光吸收沒有不當?shù)呢撁嬗绊?。漸變間隔層的厚度被示 為約20nm。其他兩個層的厚度每個近似等于1/4人減去漸變間隔層的厚 度。漸變間隔層的厚度應至少10nm厚，以在不減小反射鏡的光反射率 的情況下減小其電阻。典型地，最佳厚度在20至25nm范圍內。
摻雜濃度的選擇也是這樣的問題在不增大由于自由載流子吸收 而導致的光吸收的情況下，平衡通過增大摻雜濃度來減小電阻率的希 望。在n型導電性反射鏡2，中與有源區(qū)4，最接近的6個周期內， Alo.5Ga。.5As層和AlAs層中的摻雜為5'10"/cm3，并在層厚度上，從漸變 間隔層與相鄰AlAs層最接近的一側的l'10"/cm"斬變至漸變間隔層與 相鄰Al。.5Ga。.5As層最接近的一側的5'10"/cm3。在n型導電性反射鏡的 其余部分中，摻雜均勻地位于2'1018/(^13的水平。
在p型導電性反射鏡3，內，在與有源區(qū)最接近的前6個周期內， Alo.5Ga。.5As層的摻雜為5'10"/cm3， AlAs層的摻雜為HO"/cm3，并在層 厚度上，從漸變間隔層與相鄰Al。.5Ga。.5As層最接近的一側的5.10力cm3 漸變至漸變間隔層與相鄰AlAs層最接近的一側的l'10,cm3。在p型導 電性反射鏡的大部分其余部分中，摻雜在Alo.5Gao.5As層為L10,cm3， 在AlAs層為2'10力cm3，并在層厚度上，從漸變間隔層與相鄰 Al0.5Ga。.5As層最接近的 一 側的1 1018/cm3漸變至漸變間隔層與相鄰AlAs層最接近的一側的2'10"/cm3。
選擇在P型導電性反射鏡3'和n型導電性反射鏡2'中與有源區(qū)最接 近的反射鏡周期中進行較低的摻雜，以減小在光場最高的層中的自由 載流子吸收。較遠的反射鏡周期在光束吸收上的效果越弱，因此，可 以容許較高的摻雜濃度來幫助減小電阻。
在器件中P型導電性反射鏡3，的外表面(層30的外表面)上，提供 了第一Alo.sGao.5As層，其中，摻雜從2'10,cm3漸變至3'10^cm3，從而 漸變至在其上提供的被摻雜至3qO，cmS的另一Alo.5Gao.5As層的摻雜 濃度。最外層是GaAs，被摻雜至> l'1019/cm3。這三層一起形成了約9V4 厚的厚度，其中X是所需的器件發(fā)射波長。以非常高的濃度對該結構的 這些最頂層進行摻雜的目的是提供非常低的橫向電阻，以在器件的孔 徑中均勻地擴散器件操作電流。
在使用氧化物孔徑用于電流限制的情況下，要調整反射鏡的成 分。由于要氧化的層必須包含比其他反射鏡層更高的A1濃度，因此， AlAs不能再用于較低折射率層。典型地，可以使用x在0.85至0.95范圍 內的AlxGa^As。然而，如果氧化物孔徑位于有源層與具有孔徑的金屬 互連之間的反射鏡3'中，則優(yōu)選地在其他反射鏡(最接近襯底的反射 鏡2')中繼續(xù)使用AlAs作為低折射率層，以最小化后一反射鏡的電阻 率并最大化其導熱性。另一方面，最接近量子阱有源區(qū)的2至4個底部 反射鏡周期也可以具有減小的鋁含量，以避免在氧化孔徑時偶然地氧 化了這些層。
可以使用從反射鏡2'和3'中最接近有源區(qū)的6個層重復周期中的 低值hl0Vcr^至這些反射鏡中其余部分的高值340力cr^的范圍內的 其他摻雜濃度。然而，典型地，在圖3所示濃度的約+/-30%之內的濃
度是最佳的。
反射鏡配置的其他變型可以具有以下益處減小器件電阻或改進 導熱性，或兩者兼有，圖4的示例中示出了這樣的變型之一。圖4A示 出了如上述圖3的表格所配置的反射鏡2，的示意表示，即具有四分之一 波長厚度的AlAs (或反射鏡的低折射率層)與四分之一波長厚的 AlGaAs (或反射鏡的高折射率層)交替。圖4B中示出了可選的反射鏡度，而減小了AlGaAs層的厚度。由于AlAs層具有更高的遷移率和更高 的導熱性，因此，減小了反射鏡的電阻，并增大了導熱性。AlAs層的 光學厚度比Al。.5Ga。.5As層的光學厚度大50。/c)，但是任何大于l: l的比 值都具有積極效果。
圖5示意了用于減小反射鏡結構的電阻的又一種變型。由于n型導 電性AlAs和AlGaAs的遷移率明顯高于p型材料，因此，對于上述圖3 的表格中的器件，可以通過不僅將其反射鏡2'摻雜為n型導電性，也將 其反射鏡3'摻雜為n型導電性來減小其電阻率。然而，為了器件的正確 工作，需要pn結。這可以通過在器件的有源區(qū)4中，在隧道結延伸有源 區(qū)4'和覆蓋層7之間，與產生的n型導電性反射鏡3"相鄰，加入隧道結 20來實現(xiàn)。當對量子阱有源區(qū)4，上的pn結進行正向偏置時，將隧道結 20反向偏置。通過對形成隧道結20的層進行高度摻雜，擊穿電壓可以 非常低，使得該結不會加大地增加所需的器件驅動電壓。高度摻雜層 (1019/cm3)被保持為非常薄，并位于光零值處，以最小化其對自由載 流子吸收損耗的過多貢獻。該隧道結包括依次生長的高度摻雜11++ 導電性層21，接著是 ++導電性層22，每層具有約100至350人的厚度。n 型導電性層具有約2，10,cr^的摻雜濃度，p型導電性層具有約 8-10力cm3的摻雜濃度。
在圖3中的表格中的器件或圖4和5的反射鏡變型中的兩個反射鏡 2'或2"與3'或3"之間是有源區(qū)4'中的層，在其每一側由一對覆層5'和6' 中的相應一層限制，在該區(qū)域中，注入的電荷載流子互相復合并發(fā)射 光。這些層基于(AlxGa,.x)yIn,.yP材料，在摩爾分數(shù)近似為7=0.51的值 時，該材料的晶格常數(shù)與GaAs相匹配。以下，當y不同于0.51的值時 才特別說明y。
有源區(qū)4'從反射鏡2'—側開始具有由Alo.7Gao.3lnP組成的60nm厚 非漸變間隔層或覆層5'，層5，在5.10力cmS的水平上被摻雜為n型導電 性，接著是相同成分但未摻雜的15nm厚的層。下一層是20nm厚的非 摻雜Al。.4Gao.6lnP層。產生光的層由3個約7nm厚度的非摻雜Ga,In。.54P 量子阱組成，分別由兩個AWGa。.6lnP阻擋層分離開，每個阻擋層具有6nm厚度。接著是另一20nm厚非參雜Alo.4Gao.6lnP成分層。然后，有源 區(qū)4'在其與其開始處相對的一側終止，終止于具有75rmi厚度的、p型 摻雜至H0'Vci^水平的Al。.7Ga。.3lnP非漸變間隔層或覆層6'，該層6'位 于與P型導電性反射鏡3'的結構相鄰的位置。AlGalnP層的總厚度被調 整為與R的光學厚度相等，其中X還是所需的VCSEL發(fā)射波長。為實 現(xiàn)640至670nm范圍內的所需發(fā)射波長，根據(jù)該范圍內的所需發(fā)射波 長，略微調整有源區(qū)4'中Ga。.46ln。.54P量子阱層的厚度。
選擇AlGalnP材料組成的有源區(qū)4'來提供最佳的載流子注入和載
流子限制，以改進波長和操作溫度范圍，并改進輸出功率。選擇 Gao.46ln。.54P成分的量子阱來提供約0.5。/。的壓縮應變。這增加了阱深，
并增大了量子阱和周圍阻擋層之間的帶隙不連續(xù)性，以減少載流子泄 漏。間隔層或覆層5'和6'的成分被選擇為接近最大帶邊緣偏移，以改
進載流子限制。最終，選擇摻雜濃度和位置來提供良好的載流子注入 與消除不當?shù)淖杂奢d流子吸收之間的平衡。特別地，使用較高濃度的p 摻雜(H018/cm3)改進了對電子泄漏入p型導電性反射鏡3'的阻擋，
該泄漏可能導致光吸收增大。
量子阱的光致發(fā)光峰值波長被選擇為比Fabry-Perot諧振腔反射鏡 分離或腔發(fā)射波長短5nm至15nm，以增強器件的更高溫度的性能。這 增大了操作溫度范圍，這是由于量子阱發(fā)射的峰值隨溫度升高向更高 波長的移動比Fabry-Perot諧振波長更快，因此VCSEL腔的發(fā)射波長隨 溫度而增大。這意味著，在高于室溫的溫度上，兩者對準，因此改進 了更高溫度的性能?？梢栽龃笄话l(fā)射和量子阱發(fā)射之間的偏移，以實 現(xiàn)改進的更高溫度的性能，但是，這樣的代價是增大了閾值電流，并 在室溫及以下降低了輸出功率。根據(jù)器件所選的特定用途的性能要求， 來平衡這兩種考慮。
圖6提供了針對紅光發(fā)射VCSEL器件的表格式分層列表，表示了 用于可選紅光VCSEL器件的薄膜半導體材料外延層結構，該結構具有 34層，允許器件在更高溫度下實現(xiàn)更好的性能。該器件的反射鏡2'和3' 中的層與圖3中所示的層結構中完全相同，但是，如以下所述，有源區(qū) 4"具有與表3的器件中不同的AlGalnP層。反射鏡2'和3'之間的有源區(qū)4"仍是總計a厚，其中、是所需的光發(fā) 射波長。除了量子阱和阻擋層之外，所有層中的In成分被選擇為晶格 常數(shù)與GaAs相匹配，即近似(AlxGa")().5jnQ.49P。
與基于n型導電性AlGaAs材料的反射鏡2'相鄰的第一層是 (Al。.7Ga。.3)InP間隔層或覆層5"，該層5"在5.10力cn^上被摻雜為n型導 電性。然后，在約55nm的厚度上，提供了成分摩爾分數(shù)從x二0.7漸變 至x^.5的漸變間隔層。該層也在5，10"/cmS上被摻雜為n型導電性。接 著是14nm厚的非摻雜Alo.5Gao.5lnP。
接下來是與3個量子阱層交錯的4個阻擋層，這些層均未摻雜。對 成分為Gao.46ln。.54P的量子阱層進行壓縮應變。與圖3的結構不同，這里， 阻擋層被布置為受到張應力，以補償量子阱層的壓縮應力。這些層是 (Alo.5Ga。.5)ylnLyP，其中y的值被調整為大于0.51 ，從而在這些層中提供 約0.35%的張應力。
在第4個受張應力的阻擋層之后，是厚度為14nm的晶格常數(shù)匹配 非摻雜Al。.5Ga。.5lnP層。接著是漸變間隔層，在55nm的厚度上，其成分 摩爾分數(shù)從x一.5漸變至xK).7。該層被摻雜至H0S/cm3。最后的 Alo.7Gao.3lnP間隔層或覆層6"為20nm厚，并被摻雜至l'10力cm3。
因此，該VCSEL中的有源區(qū)4"在量子阱的壓縮應力與交錯的阻擋 層的張應力之間進行了平衡，以提供甚至更好的載流子限制。該張應 力與受壓縮應力的量子阱結合，在量子阱深度方面提供了甚至比在具 有晶格匹配的阻擋層和相同成分的受壓縮應力的量子阱中所觀察到的 更大的改進。此外，應變的平衡使得可以甚至更多地降低y來在量子阱 中創(chuàng)建甚至更大程度的壓縮應變，而沒有產生對器件壽命有負面影響 的缺陷的風險。此外，摩爾分數(shù)從F0.5漸變至xi.7的AlGalnP層也提 供了更好的載流子限制。
圖7的有源區(qū)表示圖中示出了有源區(qū)配置的另一種變型。圖7A示 出了圖6中對n型導電性覆層5"和p型導電性覆層6"均使用Alo.7Gao.3lnP 覆層的布置。如圖7B所示，該變型包括使用相同光學厚度(或維持總 的腔厚度在的整數(shù)倍的光學厚度)的AlAs層來替換這些 Alo.7Ga(uInP覆層。因此，在圖7B中，n型導電性AlAs層5"，替換了圖7A中的層5"，圖7B中的p型導電性AlAs層6"'替換了圖7A中的層6"。 AlAs 層仍提供了載流子限制，但是具有更高的導熱性，因此有助于散熱。 在熱管理中，更厚的層將更有效，但將使對腔厚度的控制更有挑戰(zhàn)性。
圖8示出了有源區(qū)的又一種變型。在這種情況下，在n型導電性 AlGalnP覆層5"和反射鏡2，中的第一AlAs層之間的界面上包括薄GaP 過渡層23，在p型導電性AlGalnP覆層和反射鏡3，中的第一AlAs層之間 的界面上包括薄GaP過渡層24。在AlAs與AlGalnP之間的界面上存在帶 不連續(xù)性，這在器件上產生電壓降。非常薄(<10nm)的GaP過渡層 的使用提供了能帶中的中間級，從而減小了不連續(xù)性。然而，GaP過 渡層不能與GaAs襯底晶格匹配，因此，這些層的厚度必須保持非常薄， 以避免產生可能使器件壽命退化的缺陷。
在上述外延層之外，在器件中也提供了其他結構布置以獲得電流 限制并允許電接觸，以改進器件的性能。圖9和10以表示示意圖的形式 分別示出了器件的部分分層圖和頂視圖，示意了這樣的特征。因此，
紅光VCSELlO具有襯底ll，在其暴露的外表面上提供了金屬互連ir。
襯底ll上支撐著n型導電性材料反射鏡12，該反射鏡12與p型導電性反 射鏡13之間具有有源區(qū)14，反射鏡13和有源區(qū)14都被支撐在反射鏡12 上。反射鏡13上支撐著覆蓋層17，反射鏡13中具有氧化物或注入限制 層18，在器件10上與互連11'相對的一側有層17上支撐的金屬互連19， 金屬互連19中具有發(fā)射孔徑。
在圖9中，使用質子，通過離子注入來提供增益導引，以形成限 制層18，從而獲得載流子禁閉。質子是一種能夠穿過相當厚的p型導電 性反射鏡層，并使它們所停留處的材料保持絕緣的材料種類。使用將 層18的注入峰值置于VCSEL器件10的有源區(qū)1之上2至6個反射鏡層重 復周期距離處的能量，來注入質子。可選的，通過在該結構中生長A1 成分(>0.95)大于其他低折射率反射鏡層(等于A10.85)的低折射率 反射鏡層，然后使用高溫蒸汽來氧化高Al含量層以形成絕緣Al203，形 成氧化物孔徑，以此提供該載流子限制結構。
然而，層18的注入結構具有多個優(yōu)點。它允許在頂部反射鏡中使 用AlAs， AlAs具有比AlGaAs更高的導熱性，從而允許更好的散熱。它產生比氧化物層更小的應力，因此可以產生更可靠的器件。它在折射 率上提供了更小的反差，因此可以允許在比氧化物孔徑所可能的更高 直徑(高達104m)上制造單模器件。
具有由離子注入提供的增益導引的單模器件中層18中的孔徑的 正確孔徑尺寸為6(inK孔徑直徑〈12^im，其中，典型地8至10^im是最佳
尺寸?？赡苄枰≈睆降钠骷韺崿F(xiàn)具有用于載流子限制的氧化物 孔徑的單模器件。
金屬互連19中的發(fā)射孔徑允許光逃離設備以發(fā)射，盡管在圖10中
被示為不同的直徑，但是該孔徑名義上應與注入孔徑的直徑相同 (+/-0.5^n)。典型地，相等的金屬和注入孔徑提供了輸出功率效率和 低橫向電阻(即電流不需要經過較長的橫向距離來到達孔徑)的最佳
妙A 5口 口 o
圖9和圖10還示出了器件電隔離注入結構25，用于在多器件單片 集成電路芯片上將一個VCSEL器件與其相鄰的器件隔離，因此，注入 的載流子穿過期望的器件而不流向相鄰的器件。這樣的注入也更希望 是使用質子來注入，但是也可以想到，如果提供了較高的注入能量， 則可以使用其他種類(例如氧)。內隔離注入直徑充分大，使其不干擾 與器件的金屬接觸，即內直徑孔徑至少比金屬的內直徑大10pm。外隔 離直徑應比內直徑大5至40jam。雖然可以是"無限的"(除了器件之外 處處是無差別注入)，但是，期望更窄的注入環(huán)來提供熱方面的優(yōu)點， 即未注入的材料是比注入材料更好的熱導體。注入環(huán)的寬度選擇是在 器件之間提供良好隔離的需要與最大化導熱性的希望之間的平衡。
紅光VCSEL中一個特別的問題是熱透鏡化(lensing)，即發(fā)熱以 非均勻的方式來影響折射率。用于提供VCSEL中的電和光能量限制的 質子注入和氧化物孔徑方法均呈現(xiàn)出限制。 一般地，氧化物孔徑提供 了過強的折射率導引，對除了最小孔徑之外的所有孔徑導致了多模器 件。雖然對較小孔徑的器件可以實現(xiàn)單模器件，但是，發(fā)熱和電流密 度限制了可實現(xiàn)的單模輸出功率量。另一方面，質子注入所提供的較 弱的折射率導引可以允許在更大的直徑上實現(xiàn)單模性能，但是，熱透 鏡化成為問題，因而模式結構作為溫度的函數(shù)而變化。當使用非常寬的帶寬來調制該器件時，熱透鏡化的出現(xiàn)可導致難以實現(xiàn)具有作為溫 度的函數(shù)的可預測和穩(wěn)定輸出功率的調制。
如圖ll的表示示意圖所示， 一種用于在最小化熱透鏡化同時最大 化實現(xiàn)高單模輸出功率的能力的可選紅光VCSEL器件10'是在其中使
用雙質子注入，或漸變離子注入。較低能量注入層18'較淺，并且使用 形成較小直徑非注入?yún)^(qū)的掩模。用于形成注入層18的第二較大能量注 入使用提供較大直徑非注入?yún)^(qū)的掩模。較高、較小直徑的注入層18'
有助于將電流導引至較低注入孔徑的中心，從而有助于抵消將電流引 導離開中心的熱透鏡化效應。然而，這種方法將有源區(qū)中的電流密度 保持與更大直徑器件一致，這對實現(xiàn)更大的單模輸出功率十分重要， 并提高了器件壽命。
也可以通過使用多個(>2)注入能量和掩模直徑來改進該效應， 或可能通過使用成一定角度的注入，來實現(xiàn)越向器件表面注入直徑越 小，越靠近有源區(qū)注入直徑越大的效應。
圖12的表示示意圖中示出了用于在紅光VCSEL中實現(xiàn)模式控制 和較大直徑單模的又一種選擇10"。這使用了離子注入孔徑和氧化物 孔徑的結合。具體實現(xiàn)方式是向中心接近量子阱有源區(qū)14的深度，即 以從量子阱有源區(qū)至量子阱之上4個周期的任何地方為中心的深度，提 供質子注入層18。此外，在從量子阱有源區(qū)14向互連19的方向上大于6 個周期的位置處，形成具有孔徑的氧化物層18"，以提供較弱的折射 率導引?；旧?，氧化物層18"將為光模式提供較弱的折射率限制， 這提供了光模式的更大的溫度穩(wěn)定性，而質子注入層18將提供電流限 制。
圖13的表示示意圖中示出了又一種可能的紅光VCSEL器件配置 及其制造工藝。在這種情況下，執(zhí)行對圖9的覆蓋層17和反射鏡13的蝕 刻，優(yōu)選地，蝕刻在圖13的修改VCSEL 10"，中產生的反射鏡13，中、 在產生的覆蓋層17'中留有略微的正傾斜。然后，沉積具有孔徑的金屬 互連19'的金屬，使得在提供該互連的過程中，該金屬覆蓋了該蝕刻的 傾斜側壁。這種配置的目的是進一步改進器件散熱，這是由于，在該 結構中，在操作過程中，其中產生的熱量在橫向方向上比在垂直方向側壁和結構中若干層相接觸， 以更容易地從器件散熱。在質子注入設計的反射鏡中使用A1AS (比
AlGaAs合金具有更高的導熱性)的能力允許進一步促進該散熱。如上 所述，通過將質子注入用于增益導引，允許了這種選擇，但是，如果 增益導引是氧化物孔徑，則不可使用該選擇。此外，這種布置還允許 隔離注入更深地穿透入器件，或可選地，允許更低能量的注入。
圖14示出了紅光發(fā)射VCSEL的電接觸結構的另一種布置10iv。在 這種布置中，適于與n型導電性材料歐姆連接的金屬接觸26在n型導電 性反射鏡12處，與有源區(qū)14中修改n型導電性覆層15'的表面(與襯底 平行)進行電接觸。此外，適于與p型導電性材料歐姆連接的金屬接觸 27與修改p型導電性反射鏡13'的表面(與襯底平行)進行電接觸。因 此，與VCSEL器件的pn結的接觸是在VCSEL器件10，"內的有源區(qū)14之 中和附近的覆層和反射鏡層，而不是形成在器件的襯底和發(fā)射表面上。 這種布置要求蝕刻兩個平臺一一一個平臺被蝕刻在圖9的p型導電性反 射鏡13中靠近有源區(qū)14的部分，以形成圖14的修改反射鏡13 (或可選 地，在有源區(qū)14中的p型覆層區(qū)16的合適修改的頂部)從而形成接觸27， 而另一個平臺被蝕刻在圖9的n型導電性覆層15中在有源區(qū)14中的部 分，以形成圖14的修改覆層15'(或靠近有源區(qū)14的n型導電反射鏡12 的合適修改的部分)從而形成接觸26?？赏ㄟ^使用更厚的覆層(但是 該覆層被設計為使得總體腔的光學厚度是發(fā)射波長的整數(shù)倍)，或在反 射鏡中使用分離接觸層，來促進本方法的實現(xiàn)?？梢允褂梦g刻阻止層 (不會被用于蝕刻結構中其余部分的同一濕法或干法化學物所蝕刻的 薄層)來在所需的層準確地阻止蝕刻。
這種布置將金屬互連層(典型地具有高導熱性)置于盡可能接近 有源區(qū)，以實現(xiàn)器件操作過程中所產生熱量的散發(fā)。此外，電流不需 要通過較高電阻的反射鏡層，從而最小化了在操作中由于電阻而產生 的熱量。
圖15示出了VCSEL陣列布置的表示示意圖，該陣列布置用于維持 VCSEL器件上的恒定熱負載以最小化熱導致的其性能對時間的依賴 性。例如，由于相鄰的器件被幵啟以發(fā)射紅光， 一個VCSEL的輸出可能減小，或甚至增大。圖14的結構將VCSEL器件10 (作為示例，該 VCSEL器件發(fā)射光)與第二器件l(r成對，該第二器件除了在金屬中沒 有開口以允許發(fā)射光之外，其余均與器件10相同。在使用中，在操作 中，電流可以在發(fā)光器件和閉合的器件之間切換。當希望關閉一個 VCSEL器件10時，將電流切換至其閉合孔徑的配對器件。芯片上的熱 負載應當保持幾乎相同。盡管圖中示出了兩行器件 一行具有正?？?徑，另一行具有閉合的孔徑，但是，根據(jù)用戶的期望，各種其他幾何 布置也是可能的。
用于管理發(fā)熱和散熱的其他方式包括使用具有高導熱性的聚合 體或介電層(如金剛石或氮化鋁(A1N))來在芯片上涂覆。使用焊接 而不是使用導電環(huán)氧樹脂來將管芯附著至封裝可以改進通過封裝的散 熱。使襯底減薄至小于100i^m并將管芯附著至高導熱性的副底座可以
改進散熱。
圖16中的VCSEL陣列封裝配置的表示示意圖示出了另一種散熱 布置。在這種配置中，器件焊接盤28鍍有厚金屬，例如，VCSEL 10 置于焊接盤之間，通過焊接或接線柱球焊(stud bumping)，將產生的 陣列器件安裝至透明的上基板29，優(yōu)選地，該上基板29具有非常高的 導熱性。器件10與帶走熱量的金屬線28鄰近有利于這些器件。
可選地，在將器件安裝至上基板29之后，可以去除GaAs襯底ll， 并且可以在VCSEL器件的后側制作接觸部。然后，將芯片或晶片安裝 在高導熱性的副底座上，現(xiàn)在該副底座不必是透明的。這也促進了散 熱。
圖17示出了VCSEL陣列封裝配置的另一種表示示意圖。在這種封 裝中，在VCSEL結構的部分制造(例如在VCSEL IO中形成質子注入 或氧化物孔徑)之后，可以將具有部分制造的VCSEL的晶片在p型導 電性反射鏡13中的暴露表面上，例如，附著至使用厚導熱性金屬層30 來涂覆的副底座上。然后，移除原始的GaAs襯底ll，將金屬接觸31沉 積并構圖在原先位于GaAs襯底ll相鄰位置的其余結構(在本示例中是 n型導電性反射鏡12)的現(xiàn)在暴露的表面上。該金屬包含開口孔徑，該 孔徑允許光從每個VCSEL的中心逃離。這個結果也允許在緊鄰有源區(qū)14的附近使用厚金屬層，以促進器件散熱。
圖18示出了主動散熱的VCSEL器件封裝配置的表示示意圖。在這 種封裝中，VCSEL結構可以是已描述的任何配置，或這些配置的結合。 作為示例，將VCSEL器件10直接置于熱電冷卻器32之上，以在器件操 作過程中控制其溫度。熱電冷卻器是標準的微電子組件，用于控制電 路或其他發(fā)熱操作器件(如光電器件或集成電路)的溫度，可以購買 到尺寸足夠小以裝入TO接頭類型的封裝33中。可選地，通過在VCSEL 結構材料的生長和處理從而形成VCSEL器件之前，首先在GaAs襯底上 生長用于這種冷卻器的多個GaAspn結，可以單片地集成熱電冷卻器。 作為冷卻器的基礎，約5至20個pn結可以依次逐一堆疊生長，每個在 1，000至5,000人厚的數(shù)量級。通過選擇性蝕刻和金屬化互連，該結可以 并聯(lián)電互連，或通過使用中間隧道結，該結可以串聯(lián)電互連。VCSEL 器件的主動冷卻允許將其保持在可以實現(xiàn)所需性能的合適溫度范圍。
在上述器件中，對反射鏡的關鍵考慮在于減小其串聯(lián)電阻和其中 的光吸收，這又導致了設備的發(fā)熱更少。這是通過以下方法來實現(xiàn)的 增大反射鏡中漸變層的寬度、降低與有源區(qū)接近的反射鏡中摻雜水平、 以及增大反射鏡中遠離有源區(qū)的重復材料層周期中的摻雜水平。通過 對離有源區(qū)最遠的P型導電性反射鏡中的層進行高度摻雜以減小接觸 和橫向電阻，也解決了電阻的減小，從而解決了發(fā)熱問題。
在有源區(qū)中，做出可行的選擇，以最小化發(fā)熱的影響。選擇具有 壓縮應變的量子阱，與晶格匹配或張應變的阻擋層相結合，改進了有 源區(qū)中的載流子限制，從而增大了操作溫度范圍。在p型間隔層或覆層 中使用更高度P摻雜的區(qū)域，將電子限制至有源區(qū)，并防止其被注入p 型導電性反射鏡。在改進載流子限制的目的下，也進行了層成分的選 擇和漸變。
導熱性也必須改進，使得可以更有效地從器件散熱。使用質子注 入結構與含AlAs的反射鏡結合，對這一目的做出了貢獻。改進導熱性 的目的限制了隔離注入?yún)^(qū)的寬度。頂部反射鏡的蝕刻，以及在所蝕刻 的側壁上的金屬沉積，提供了散熱的通道。導熱性電介質的沉積、封 裝中焊接的使用、以及所述的用于更有效提供從器件至封裝的較短熱通道的封裝結構，都被設計用于更快更有效地從器件散熱。 一般地， 這些增強將增大輸出功率，減小用于發(fā)射激光的閾值電流，減小電阻， 并增大器件成功操作的溫度范圍。
雖然已經參照優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是本領域技術人員可 以認識到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，可以做出形式和 細節(jié)上的改變。
權利要求
1. 一種用于發(fā)射窄線寬光的半導體材料垂直腔面發(fā)射激光器，所述激光器包括復合半導體材料襯底，所述襯底上的第一反射鏡結構中第一導電性類型的半導體材料層的至少兩個第一反射鏡對，所述第一反射鏡對中的每個半導體材料層在至少一個組分濃度上互相不同，每個第一反射鏡對由具有漸變組分濃度的第一反射鏡間隔層互相分離，所述第一反射鏡結構上的具有多個量子阱結構的有源區(qū)，所述量子阱結構由至少一個有源區(qū)間隔層分離，所述有源區(qū)上的第二反射鏡結構中第二導電性類型的半導體材料層的至少兩個第二反射鏡對，所述第二反射鏡對中的每個半導體材料層在至少一個組分濃度上互相不同，每個第二反射鏡對由具有漸變組分濃度的第二反射鏡間隔層互相分離，以及電互連對，由所述襯底、所述第一反射鏡結構、所述有源區(qū)和所述第二反射鏡結構將其分離。
2.如權利要求1所述的激光器，其中，所述量子阱結構在一個方 向上受到應力，所述有源區(qū)間隔層在相反的方向上受到應力。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于發(fā)射窄線寬光的半導體材料垂直腔面發(fā)射激光器，包括復合半導體材料襯底和襯底上的第一反射鏡結構中第一導電性類型的半導體材料層對，每一對中的半導體材料層在至少一個組分濃度上互相不同，每個第一反射鏡對由具有漸變組分濃度的第一反射鏡間隔層互相分離。在所述第一反射鏡結構上的有源區(qū)具有多個量子阱結構，所述量子阱結構由至少一個有源區(qū)間隔層分離，在所述有源區(qū)上有第二反射鏡結構，所述第二反射鏡結構與第一反射鏡結構類似，但具有第二導電性類型。所述襯底、所述第一反射鏡結構、所述有源區(qū)和所述第二反射鏡結構分離了電互連對。
文檔編號H01S5/00GK101454954SQ200780016714
公開日2009年6月10日 申請日期2007年3月7日 優(yōu)先權日2006年3月7日
發(fā)明者克萊因·L·約翰遜, 瑪麗·K·勃倫納 申請人:瑪麗·K·勃倫納;克萊因·L·約翰遜