专利名称：具有模控制的vcsel半导体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及垂直空腔面射型激光器(VCSEL)，且更具体而言涉及通过对上部镜面或台面结构进行选择性图案化而形成的具有模控制的VCSEL。
背景技术：
一典型的VCSEL配置包括一有源区域，所述有源区域位于两个在衬底晶片表面上彼此上下叠置的两个镜面之间。一位于这些镜面之间的绝缘区域迫使电流流经一小孔径，且该装置发射垂直于晶片表面的激光(即，VCSEL的“垂直”部分)。一种类型的VCSEL(具体而言，为质子VCSEL，其中通过一质子植入来形成绝缘区域)一曾主导了VCSEL的早期商业历史。在氧化物导向型VCSEL中，绝缘区域是通过部分氧化镜面结构内的一薄的高铝含量层而形成的。此相同氧化过程可应用于其它半导体结构，以产生光电子及纯电子装置。
垂直空腔面射型激光器(VCSEL)已经成为供在存储区域网络(SAN)及局域网(LAN)应用中所用收发机选用的激光技术。存在两种用于制造VCSEL的主要技术平台。这些平台的差异是基于不同的电流限制技术，或通过离子植入或通过氧化物层来限制。在一VCSEL内形成一电流限制结构的两种方法是离子植入与选择性氧化。在离子植入技术中，离子被植入于上部反射层的一部分内以形成一高电阻区域，由此来限制电流流向一规定的区域。在选择性氧化技术中，对一台面结构的周边区域进行氧化，由此来界定一由高电阻区域环绕的孔径。
更具体而言，在选择性氧化方法中，在一上部反射镜的一下部部分上沉积一拟成为一高电阻区域的AlGaAs层后，对所得到的结构进行蚀刻，从而在晶片上形成单独的VCSEL。接下来，将该晶片留置在一氧化氛围内达一预定时间段，以允许蒸汽扩散至该AlAs层的周边部分内。结果，在该周边部分处形成一氧化物绝缘层作为一高电阻区域，其可限制电流的流动，由此形成一由该高电阻区域环绕的孔径。
形成一VCSEL孔径时的氧化扩散率对用于氧化扩散的炉的温度、氧化时间及提供至炉内的氧气量极为敏感。在需要高可重复性的批量生产中及在形成该孔径的一特定尺寸中，扩散率的变化是一严重问题。
已证明植入型VCSEL极为可靠。然而，对于需要低于2Gb/sec操作速度的应用而言，植入型VCSEL的操作速度通常受到限制。氧化物VCSEL可提供VCSEL性能的诸多优异性质，包括较高的速度(已证明大于23Gb/sec)及较高的效率。然而，氧化物VCSEL在SAN及LAN应用领域内的时间并不像植入型VCSEL那样长。
当前的市售10Gb/s VCSEL的电磁波传播设计在纵向或生长方向(z轴)上为单模设计而在横越或垂直于生长方向的方向(r平面)上为多模设计。沿z轴将有源半导体层厚度设计成仅有单种光学模耦合至激光器增益峰值。在r平面中，所允许的横模取决于氧化物孔径的大小。另一种决定模的特性是，从台面中心沿径向向外看，氧化物孔径使所述层的平均折射率存在一约5％的缓慢降低量。此种折射率变化会造成横模的折射率导向。
在选择性氧化型VCSEL中，如果为增大输出功率而扩大发光区域的直径(接近等于一非选择性氧化区域的直径)，则VCSEL会产生不同阶的振荡，即产生所谓的多模振荡。在多模振荡中，光谱线宽度变宽且光纤具有模色散特性，因此光纤中的信号衰减增大，或者模状态变得不稳定且因此主振荡模阶很容易因所注入电流大小的变化及环境温度的变化而改变。模阶的动态变化是不可取的，因为其会改变与光纤的耦合效率。
为避免出现因多种横模而引起的模不稳定问题，在现有技术中已提出了诸多种方法。第6,990,128号美国专利即说明这些用于控制横模振荡的方法中的诸多种，且我们在此将重述这些说明。第一种用于确保仅在最低阶(0阶)基模中出现振荡的方法是使发光区域的直径变小。然而，当VCSEL的发光区域的直径减小至通常4μm或以下(其小于上文所述的高质子注入型VCSEL的发光区域的直径)时，这些VCSEL会具有元件电阻偏高且无法产生高输出功率的缺陷。使横模稳定是在VCSEL在光学上耦合至光纤时为防止信号出现衰减而提出的一重要要求。此外，需要改良电光特性。
在各种用于在具有优异发光效率及高响应性能的选择性氧化型VCSEL中同时实现使横模变稳定、及减小电阻和增大输出功率这些相反目标的想法中，有一种具有一揭示于IEEE Photonics Technology Letters(第11卷，No.12，第1536-1538页)中的结构的VCSEL(参见图13)。在该实例中，发光区域的直径高达20μm，但将一发出激光的电极孔径的内侧、除从所述孔径中心起7.75μm半径以外的区域蚀刻至一40nm的深度。由于发光区域的直径高达20μm，因此在其中不存在表面处理的情形中，振荡模的阶会随注入电流的大小而变化且因此会观察到远场图像会出现变化；相比之下，具有孔的面射型半导体激光器会产生一光学输出最高达0.7mW的基模，但当注入穿过该水平时，所述模会分裂从而使远场图像缓慢地变宽。
上文所述VCSEL的意图是提高在基模中的光学输出功率。然而，带有孔的面射型半导体激光器的最大光学输出功率为10.4mW，而在基模中的输出功率仅为0.7mW。考虑到在其中不存在表面处理的情形中的最大输出功率为17.9mW，上文所述的现有技术构造清楚地表明，很难使横模变稳定并同时产生大的光学输出功率。
就此而言，人们已提出了用于对模进行控制的各种其他VCSEL结构。例如，第5,940,422号美国专利即揭示一种其中通过形成两个具有不同膜厚度的区域来实施模控制的VCSEL。在第′422号专利中，仅一上面沉积有一额外的膜的区域变为发光区域。据认为，该发明的目的是人为地确定发光点的位置而不是通过将VCSEL中所要产生的特定振荡考虑在内来确定位置(例如被描述为一个较佳实施例的产生五个发光点的振荡模在现实世界中并不存在)。
此外，第5,963,576号美国专利揭示一种具有一环形波导的VCSEL。具体而言，该发明提供一种如下的模其中将各个发光点规则地排列于一环形区域中，以便产生一“超分辨率点”且不必有意地产生一具有一所确定阶的特定振荡模。
IEEE Photonics Technology Letters(第9卷，No.9，第1193-1195页)揭示一种具有如下构造的VCSEL其中通过蚀刻在一支柱的顶面上形成一环形空腔，以局部地改变镜反射率。据该论文报导，此种装置的光谱线宽带减小至不具有空腔的装置的一半，从而产生对模进行抑制的效应。然而，当所注入电流的大小增大时，观察到振荡光谱会发生变化。这清楚地表明，一特定振荡模并非一直为支配性模，换句话说，所述模不稳定。
此外，Electronics Letters(第34卷，No.7，第681-682页，1998年4月)提出一种具有一如下构造的VCSEL在该构造中，通过蚀刻在一支柱的顶面上形成一环形空腔并在所述空腔的外周边部分上形成一环形发光区域。近场图案清楚地表明产生了一极高阶(大于第30阶)的模且同时发光点的强度存在很大的变化。这表明难以向一内径高达30μm的环形区域内注入均匀的电流。因此，为在实际应用中获得稳定的高阶模振荡，VCSEL仍有很大的改良空间。
如上文所述，对于期望用作多模式型光纤的光源的VCSEL而言，VCSEL技术的现有技术水平无法提供一种能满足使横模稳定这一要求且具有高输出功率、低电阻、高效率及高速度响应的装置。
第6,990,128号美国专利揭示一种用于制作单模VCSEL的方法。然而，其所支持的单模是一高阶横模而非基模。
第6,990,128号美国专利阐述提供一谐振器并揭示一种结构，该结构具有一其中形成有一发光区域的第一区域、一有源层、及一第二反射层，所述第二反射层形成为将所述有源层夹于第一反射层与第二反射层之间，其中所述发光区域包括一用于抑制除一特定振荡模以外各振荡模的发光的边界区域；具体而言，复数个通过所述边界区域大体划分的经划分区域，以产生一对应于所述特定振荡模的发光点。
此种设计的缺点在于1.由于除单个模之外的所有模均受到抑制，因而装置的总功率输出偏低。第6,990,128号美国专利中的图5显示“带孔”及“不带孔”的LI曲线。总输出功率降低差不多50％，且看起来当采用模选择时LI曲线在一较低驱动电流下滚动。相应地，低输出功率会限制使用此种设计的任何光学链路的长度。
2.如在该专利中所详述(例如图3A、3B、7A、7B、8A、8B...)，为选择一高阶单模，在制作激光器时必须使用一复杂且精确的图案。另外，该专利并未论述图案与氧化物孔径的对齐会如何影响装置性能。
3.由于当与单模光纤一起使用时有意地使该装置为单模装置，因而此种单模激光器具有能消除模色散的优点。然而，如果使用多模光纤或者多模波导，单模激光器通常会因在光纤中传播的同时进行模混合而出现明显的抖动。当在多模光纤中使用单模激光器时，精确地控制激光器发射条件非常重要，而此会增加系统的成本及复杂度。关于单模激光器的第二个基本问题是从耦合光学器件向激光器空腔内的背反射。由于存在单模，因而背反射会使激光器不稳定，从而增大信号的抖动。该问题的行业标准解决方案是在激光器与耦合光学器件之间插入一光隔离器(此会增加系统的成本及复杂度)、或者将激光器功率限制至一其中空腔中的干涉不造成问题的水平(然而，由于功率的限制，此会限制此种装置可用于的应用)。
现在有必要对VCSEL中的横模进行更详细的分析及说明。可将横模划分成两种类别氧化物孔径中心模(ACM)及氧化物孔径边缘模(AEM)。由于氧化层的光学散射，ACM的本征损耗将始终低于AEM的本征损耗。因此，ACM具有较低的阈值增益，且其将在AEM之前发出激光，并在阈值附近主导激光发射。然而，除了一透明触点覆盖激光发射孔径的情形之外，所注入的电流将始终具有一从氧化物孔径的外侧朝孔径中心移动的径向分量。由于此种径向电流注入，在远高于阈值时，AEM将会主导激光发射。在高于阈值时，载流子寿命会因模拟发射而显著降低。因此，载流子扩散长度减小且其将不再能够到达孔径的中心处。
难以获得窄的光谱宽度的原因是在选取氧化物孔径的尺寸时存在固有的折衷。孔径变小会减少所允许的横模的数量，但存在诸多与装置可靠性相关的问题首先，装置电阻与孔径直径的平方成反比。从此种角度来看，通过与驱动器进行阻抗匹配来设定最小孔径尺寸。第二，ESD破坏阈值也与孔径直径的平方成反比。ESD阈值变低会增加制造工艺的成本及复杂度并增大出现现场故障的风险。第三，耗损可靠性与电流密度的平方成正比。在恒定电流情况下，耗损寿命与孔径直径的四次方成反比。第四，热阻抗与孔径直径成反比。越小的装置具有越高的结面温度且因而具有越短的耗损寿命。第五，越小的孔径要求具有越高比例的氧化AlGaAs，而此会增大激光器中的机械应变。
现有技术VCSEL中的另一问题是光谱宽度对驱动电流及环境温度的敏感性。这些效应起因于ACM与AEM之间的竞争与因氧化物孔径的大小而存在的横模数量这两者。随着驱动电流的增大，会有更多的更高损耗的AEM达到阈值。因而，激光器的SW会随驱动电流而增大。在低的温度下，激光器中的总损耗会降低，且会有更多的AEM达到阈值。因此，SW也随温度降低而增大。再一问题是因在调制一多模VCSEL时的模竞争而引起的抖动及下冲问题，此种模竞争是因在调制激光器时ACM与AEM模交替地起主导作用而引起的。与AEM模相比，ACM模对电流调制的反应较慢。首先，载流子必须扩散得更远才能到达孔径中心处。第二，由于氧化物孔径的散射，AEM模具有额外损耗。最终结果是光学寿命缩短，并在调制激光器时允许光学模更好地跟踪驱动电流。
在本发明之前，尚不存在一种适用于远距离传输、高数据传输率应用且具有窄光谱宽度的在商业上可行的氧化物型VCSEL。
发明内容
1.发明目的本发明的一目的是提供一种对横模具有改良的模控制的半导体激光器装置结构。
本发明的另一目的是提供一种具有窄的光谱宽度的改良型垂直空腔面射型激光器(VCSEL)。
本发明还有另一目的是提供一种具有模控制且对驱动电流及环境温度具有更大的不灵敏性的改良型VCSEL。
本发明的再一目的是提供一种具有一其中移除上部镜面层的某些部分以进行模控制的台面的VCSEL结构。
本发明的再一目的是提供一种蚀刻工艺来移除一VCSEL结构的发光区域的一部分并由此实现对具有窄光谱宽度的VCSEL装置的模控制及始终如一的制作、测试和可靠性。
2.本发明的特征简要且一般地说，本发明提供一种面射型激光器，其具有一具有顶面及底面的衬底；一位于所述衬底顶面上的折射率交替变化的第一镜面层堆叠；一位于所述第一堆叠上的有源层，所述有源层具有一在所述有源层的一相邻基础层部分上方伸出的台面；一位于所述台面的顶面上的第二镜面层堆叠，所述镜面层堆叠具有交替变化的折射率；及一位于所述台面中心的凹陷部分，其贯穿所述第二镜面层堆叠的至少某些层镜面层。
在另一个方面中，本发明还提供一种用于制造一垂直空腔面射型激光器的方法，其包括提供一衬底；在该衬底上形成一第一平行镜面堆叠；在所述第一平行镜面堆叠上形成一有源及间隔层；在所述有源及间隔层上形成一第二平行镜面堆叠；蚀刻所述第二平行镜面堆叠来界定一台面形结构；氧化该台面形结构以在该台面内形成一电流限制中心区域；及蚀刻所述台面结构的中心区域的一部分来移除所述第二平行镜面堆叠的一部分。
本发明的一个方面是将所允许的横模数量与氧化物孔径的尺寸解耦合，从而避免与电阻相关联的问题及与较小的孔径相关联的可靠性问题。
本发明的另一个方面是阻尼或减少ACM，以使因径向电流注入所引起的模竞争最小化或得到消除。
图1A是一在现有技术中已知的氧化物限制型VCSEL的一放大比例的半导体结构的局部剖视图；图1B是一在现有技术中已知的沟槽式氧化物限制型VCSEL的一放大比例的半导体结构的局部剖视图；图2是一根据本发明的台面式氧化物限制型VCSEL的半导体结构的局部剖视详视图；图3是一根据本发明的台面式氧化物限制型VCSEL的半导体结构的局部剖视详视图；图4是一曲线图，其绘示与根据本发明的新型VCSEL相比，现有技术VCSEL在不同电流及在不同温度下的光谱宽度；图5A是在根据本发明的第一工艺步骤中在通过氧化一半导体结构的周边侧壁而在所述结构内形成一电流限制中心区域后的所述半导体结构的局部剖视详视图；图5B是在根据本发明的第二工艺步骤中在通过蚀刻衬底及台面结构的某一部分而在所述台面结构的中心区域内形成一凹槽后的半导体结构的局部剖视详视图；图5C是在根据本发明的第三工艺步骤中在一半导体结构中沉积n型及p型电阻性触点之后所述半导体结构的局部剖视详视图；图5D是在根据本发明的第四工艺步骤中在一半导体结构的某些部分上沉积聚酰亚胺层之后所述半导体结构的局部剖视详视图；图5E是在根据本发明的第五工艺步骤中在一半导体结构上沉积一金属焊垫层之后所述半导体结构沿图6所示E-E平面的局部剖视详视图；图5F是在根据本发明的第五工艺步骤中在一半导体结构上沉积一金属焊垫层之后所述半导体结构沿图6所示F-F平面的局部剖视详视图；图6是根据本发明的VCSEL半导体结构的俯视图；图7是根据本发明的半导体结构的另一实施例的局部剖视图。
具体实施例方式
下文将阐述本发明的细节，包括其实例性方面和实施例。参见附图和下文的详细说明，相同的参考编号用于指代相同或功能上相似的元件，且旨在以极度简化的图示方式图解说明实例性实施例的主要特点。而且，各图式既非旨在绘示实际实施例的每一特点，也非旨在绘示所示元件的相对尺寸，且也未按比例绘制。
参见图1a，其显示一在现有技术中已知的氧化物限制型VCSEL的半导体结构的局部剖视图。具体而言，VCSEL 100包括一激光器空腔区域105，所述激光器空腔区域105界定于一形成一第一镜面堆叠的第一半导体区域102与一形成一第二镜面堆叠的第二半导体区域103之间。半导体区域102及103设置于一可通常为p型砷化镓的衬底104上。空腔区域105包括一个或多个有源层(例如，一量子阱或一个或多个量子点)。这些有源层可由AlInGaAs(即AlInGaAs、GaAs、AlGaAs、及InGaAs)、InGaAsP(即InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP、及GaP)、GaAsSb(即GaAsSb、GaAs、及GaSb)、InGaAsN(即InGaAsN、GaAs、InGaAs、GaAsN、及GaN)、或AlIn GaAsP(即AlInGaAsP、AlInGaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP、及GaP)形成。也可使用其它的量子阱层成分。所述有源层可夹于一对间隔层106、107之间。第一及第二间隔层106、107可由铝、镓及砷构成且根据有源层的材料成分来选择。该结构设置有电触点，以便能够对VCSEL 100应用一合适的驱动电路。
衬底104可由GaAs、InP、蓝宝石(Al2O3)或InGaAs形成且可为未经掺杂、经掺杂的n型(例如掺杂有Si)或经掺杂的p型(例如掺杂有Zn)。一缓冲层可在形成VCSEL 100之前生长于衬底104上。在图1的例示性示意图中，将第一及第二镜面堆叠102、103设计成使激光能够自VCSEL 100的顶部表面发射，在其他实施例中，可将这些镜面堆叠设计成使激光能够自衬底104的底部表面发射。
在操作中，将一操作电压施加至电触点以在半导体结构中产生一电流。该电流将流经所述半导体结构的一中心区域，从而导致在空腔区域105的一中心部分中发射激光。一由一环绕氧化物区域101或离子植入区域或两者界定而成的限制区域提供对载流子及光子的横向限制。该限制区域的相对高的电阻率会使电流被引导至且流经所述半导体结构的一位于中心的区域。具体而言，在氧化物VCSEL中，对光子的光学限制是由于形成一明显减小的折射率分布，所述折射率分布引导在空腔区域105中所产生的光子。所述载流子及光学横向限制会增加有源区域内载流子及光子的密度并提高有源区域内光的产生效率。
在某些实施例中，限制区域101界定VCSEL 100的一中心区域，而该中心区域界定一较佳供VCSEL电流流经的孔径。在其它实施例中，可使用氧化物层作为VCSEL结构内分布式布拉格反射镜的一部分。
第一及第二镜面堆叠102及103各自分别包括一由不同折射率材料构成的交替层系统，该交替层系统形成一分布式布拉格反射镜(DBR)。这些材料是根据所期望的操作激光波长(例如，一介于650纳米至1650纳米范围内的波长)来选择的。例如，第一及第二镜面堆叠102、103可由高含铝量的AlGaAs及低含铝量的AlGaAs交替层形成。第一及第二镜面堆叠102、103的这些层较佳具有一大约为激光器操作波长的四分之一的有效光学厚度(即层的厚度乘以层的折射率)。
第一镜面堆叠102可通过常规的外延生长方法(诸如金属-有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE))并随后进行蚀刻来形成。
一旦第一镜面堆叠102、活性层105及第二镜面堆叠103均制备完成，即可将该结构图案化以形成一个或多个单独的VCSEL。根据现有技术中众所周知的任何方法为第二镜面堆叠103的上表面设置一光阻材料层。曝光该光阻材料层并移除材料以界定一台面108或一沟槽的位置与大小(显示于图1b中)。然后，使用现有技术中所已知的任何适合方法(诸如干或湿蚀刻方法)蚀刻镜面堆叠103以形成台面108或沟槽。典型的干蚀刻方法使用氯、氮及氦离子，而湿蚀刻方法则使用硫酸或磷酸蚀刻剂。在该台面式实施例中，台面的直径可介于25至50微米的范围内，或较佳为大约40微米，且高出衬底表面大约三至五微米。在将在图1b中所示的沟槽式实施例中，沟槽将完全围绕并界定一大体台面形区域。在这两个实施例中，所述台面均具有一大体圆形截面。
在该加工顺序结束时，将一诸如氮化硅(SiNx)的介电材料层沉积在VCSEL 100的整个表面上，且穿过台面形结构108的上部表面蚀刻一开口以大致重合及界定一光发射区109。一透明金属接触层沉积于所述发光区域中且延续于台面形结构108上面，以界定一电触点窗口且提供足够的表面来用于一外部电触点。通常，所使用的透明金属是氧化锡铟(ITO)、氧化锡镉、或类似材料。若需要，可在层上沉积额外的常规金属。应注意，电接触窗口基本上控制着上部平行镜面堆叠内的电流分配。
图1b显示另一在现有技术中所已知的VCSEL 100的透视图，VCSEL 100例如描绘于第2003/0219921号公开的美国专利申请案或者第6,628,694号美国专利中，其包括一绝缘区域，所述绝缘区域可通过对一相关联VCSEL镜面结构内的一薄的高含铝量层进行局部氧化来形成。与图1a中所示的台面式结构108不同，图1b显示一环绕有一沟槽200的由氧化物绝缘的VCSEL 100的示意性剖视图。如在图1b中所示，VCSEL 100大体包括一发射孔径109、一形成一孔径的经氧化物或离子植入的限制区域101、及一有源区域105。
图2是一根据本发明的台面式氧化物限制型VCSEL的半导体结构的局部剖视详视图。一大体圆柱形的凹槽110或凹痕(divot)设置于孔径109的中心中，其垂直地贯穿形成第一镜面堆叠的区域103。横向光学模P11、P13及P31具有一集中于氧化物孔径中心处的功率密度，且如我们在上文中所指出，此对于许多VCSEL应用而言是不利的。相应地，凹槽110在孔径109的中心处形成光学损耗并压制或抑制模P11、P13及P31。
图3是一根据本发明的沟槽式氧化物限制型VCSEL的半导体结构的局部剖视详视图。同样，提供一中心圆柱形凹槽110来压制或抑制横向光学模。
图4是一曲线图，其绘示与根据本发明的新型VCSEL相比，现有技术VCSEL在不同电流及在不同温度下的光谱宽度。从图中可见，在一自5至8ma的驱动电流情况下，现有技术装置的光谱宽度介于0.4至高于0.5nm之间。从图中可见，本发明的图2所示实施例中的新型VCSEL则在相同的温度及电流驱动范围内具有介于低于0.3至0.38nm范围的光谱宽度。
图5A是在根据本发明的第一工艺步骤中在通过氧化一半导体结构的周边侧壁而在所述结构内形成一电流限制中心区域后的所述半导体结构的局部剖视详视图。台面108具有一带有大体发光区域109的大体平整的顶面。
图5B是在根据本发明的单个第二工艺步骤中在通过蚀刻衬底及台面结构的某一部分而在所述台面结构的中心区域内形成一凹槽110后的半导体结构的局部剖视详视图。较佳通过湿蚀刻工艺(例如使用以DI水进行稀释的HF进行蚀刻)来实施所述蚀刻。另一选择为，也可使用干蚀刻工艺，例如Cl/CH4反应性离子蚀刻(RIE)或反应性离子束蚀刻(RIBE)。在该较佳实施例中，所述蚀刻贯穿第一镜面堆叠103的大部分、及第二镜面堆叠102的一部分。对衬底进行蚀刻是为了制作通往衬底的电触点，此将显示于后续步骤中。
图5C是在根据本发明的第三工艺步骤中在一半导体结构中沉积n型及p型电阻性触点之后所述半导体结构的局部剖视详视图。p型触点111是一大体环形的圆环(显示于图6中)，其与表面109进行电阻性电接触。n型触点112是一环形段(显示于图6中)，其与衬底104进行电阻性电接触。
图5D是在根据本发明的第四工艺步骤中在图5C所示半导体结构的某些部分上沉积聚酰亚胺层113之后所述半导体结构的局部剖视详视图。聚酰亚胺层113通常在晶片上旋涂至4至6微米的厚度、进行热固化、并使用所属技术领域中所已知的光刻工艺来进行图案化，以暴露出n型电阻性触点111及p型电阻性触点112、以及发射孔径109。
图5E是在根据本发明的第五工艺步骤中在图5D所示半导体结构上沉积金属焊垫层114及115之后所述半导体结构沿图6所示E-E平面的局部剖视详视图。层114与n型电阻性触点111进行电接触，且层115与p型电阻性触点112进行电接触。
图5F是在根据本发明的第五工艺步骤中在图5D所示半导体结构上沉积一金属焊垫层之后所述半导体结构沿图6所示F-F平面的局部剖视详视图。图中显示层115在图的左手侧上与p型电阻性触点112进行电接触，且层115的另一部分在图的右手侧上与p型电阻性触点112进行电接触。
图6是图5E及图5F所示半导体结构在根据本发明的第五工艺步骤中在所述结构上沉积金属焊垫层114及115之后的俯视平面图。
图7是一根据本发明的第二实施例中台面式氧化物限制型VCSEL的半导体结构的局部剖视详视图。除在孔径109中心处提供垂直地贯穿区域103(其形成第一镜面堆叠)的大体圆柱形凹槽110或凹痕之外，还提供一环形沟槽150，所述环形沟槽150以与凹槽110相同的深度垂直地贯穿区域103。因此，孔径中心模与孔径模二者均受到抑制。
本发明不具有现有技术(例如第6,990,128号美国专利)的缺点，因为本发明并不力图获得单模输出。在所示的本发明实施例中，当增加所述凹痕时，激光器输出功率减小5％至10％。另外，由于所述凹痕所实现的改良的热特性，LI滚动点被推至更高的驱动电流。由于本发明旨在抑制ACM，因而在VCSEL台面内所蚀刻的形状对于装置性能而言并不重要。试验结果表明，对于氧化物孔径中心处的圆形图案而言，圆的大小变化+/-10％并不会明显地影响装置性能。另外，所述圆偏移其半径大小的一半也不会影响装置性能。另外，有意地不将所述凹痕形成于孔径边缘附近，使得与所述孔径的对齐对于装置性能而言并不重要。由于所示实施例有意地为多模实施例，因而现有技术的第6,990,128号美国专利的各种单模限制均不适用于该装置。
应了解，上述每一元件及工艺步骤、或两个或多个元件及工艺一起，也可有效地应用于不同于上述类型的其它类型的结构中。
尽管本文是以VCSEL装置的半导体结构及制造此结构的方法来例示及说明本发明，但并非旨在将本发明限定为所示的细节，因为也可对其实施各种修改及结构改变，此决不会背离本发明的精神。
无需进一步分析，上文已全面披露了本发明的要旨，以使人们能够应用现有知识在不忽略根据现有技术观点合理构成本发明的一般或具体方面的基本特征的前提下容易地将本发明修改用于各种应用，且因此，这些修改应该且打算包括在随附权利要求书的等效意义及范围内。
权利要求
1.一种面射型激光器，其包括一带有顶面及底面的衬底；一位于所述衬底的所述顶面上的折射率交替变化的第一镜面层堆叠；一设置于所述第一堆叠上的有源层；一设置于所述有源层上的折射率交替变化的第二镜面层堆叠；及一位于所述第二堆叠中心的凹陷部分，其贯穿所述第二镜面层堆叠中的至少某些镜面层。
2.如权利要求1所述的激光器，其中所述凹陷部分是一圆柱形区域。
3.如权利要求2所述的激光器，其中所述凹陷部分包括一环形区域。
4.如权利要求2所述的激光器，其中所述激光器是一包括一用于电流限制的植入区域的增益导向植入型VCSEL。
5.如权利要求1所述的激光器，其中所述激光器是一折射率导向型VCSEL。
6.如权利要求4所述的激光器，其中所述激光器是一氧化物型VCSEL。
7.如权利要求5所述的激光器，其中所述激光器是一沟槽式VCSEL。
8.如权利要求5所述的激光器，其中所述激光器是一台面式VCSEL。
9.如权利要求1所述的激光器，其进一步包括一在所述第一镜面层堆叠与所述有源层之间的间隔层。
10.如权利要求1所述的激光器，其进一步包括一在所述第二镜面层堆叠与所述有源层之间的间隔层。
11.一种具有纵向及横向光学模的面射型激光器，其包括一带有顶面及底面的衬底；一位于所述衬底的所述顶面上的折射率交替变化的第一镜面层堆叠；一设置于所述第一堆叠上的有源层；一设置于所述有源层上的折射率交替变化的第二镜面层堆叠；及一设置于所述第二堆叠上的发射孔径，用于抑制由所述有源层发出的相干光的所述横向光学模的构件。
12.如权利要求11所述的激光器，其中所述激光器是一增益导向型VCSEL。
13.如权利要求11所述的激光器，其中所述激光器是一包括一用于电流限制的植入区域的植入型VCSEL。
14.如权利要求11所述的激光器，其中所述激光器是一折射率导向型VCSEL。
15.如权利要求14所述的激光器，其中所述激光器是一氧化物型VCSEL。
16.一种具有纵向及横向光学模的面射型激光器，其包括一半导体衬底；一设置于所述衬底的顶面上的折射率交替变化的第一镜面层堆叠；一设置于所述第一堆叠上的有源层；一设置于所述有源层上的折射率交替变化的第二镜面层堆叠；一设置于所述第二堆叠上的发射孔径；及一模控制结构，其经成形以使所述激光器优先以光功率集中于所述发射孔径的周边边缘处的高阶横模发射光。
17.一种具有纵向及横向光学模的面射型激光器，其包括一半导体衬底；一位于所述衬底的顶面上的折射率交替变化的第一镜面层堆叠；一设置于所述第一堆叠上的有源层；一设置于所述有源层上的折射率交替变化的第二镜面层堆叠；一设置于所述第二堆叠上的发射孔径；一模控制结构，其经成形以使所述激光器优先以光功率在所述发射孔径的中心部分中最小化的高阶横模发射光。
18.一种具有纵向及横向光学模的面射型激光器，其包括一半导体衬底；一位于所述衬底的顶面上的折射率交替变化的第一镜面层堆叠；一设置于所述第一堆叠上的有源层；一设置于所述有源层上的折射率交替变化的第二镜面层堆叠；一设置于所述第二堆叠上的发射孔径；及一模控制结构，其经成形以使所述激光器优先以高阶横模及最小化的光谱宽度发射光。
19.一种制作具有纵向及横向光学模的面射型激光器的方法，其包括提供一半导体衬底；形成一位于所述衬底的顶面上的折射率交替变化的第一镜面层堆叠；形成一设置于所述第一堆叠上的有源层；形成一设置于所述有源层上的折射率交替变化的第二镜面层堆叠；同时形成一设置于所述第二堆叠上的发射孔径及一经成形以使所述激光器优先以高阶横模和最小化光谱宽度发射光的模控制结构。
全文摘要
本发明揭示一种面射型激光器，其具有一带有顶面及底面的衬底；一位于所述衬底的所述顶面上的折射率交替变化的第一镜面层堆叠；及位于所述第一堆叠上的有源层；一设置于所述有源层上的折射率交替变化的第二镜面层堆叠；及一位于所述第二堆叠的中心的凹陷部分，其贯穿所述第二镜面层堆叠中的至少某些镜面层，以用于改良激光器的光谱宽度特性。
文档编号H01S5/00GK101039015SQ20071000340
公开日2007年9月19日 申请日期2007年2月2日 优先权日2006年3月14日
发明者道格·柯林斯, 李念宜 申请人:昂科公司