具有改善的高频特性的vcsel、半导体激光器件及光发送装置的制作方法

专利名称：具有改善的高频特性的vcsel、半导体激光器件及光发送装置的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于光学数据处理或高速光通信的光源所使 用的表面发射型半导体激光元件及其制造方法。
背景技术：
近来，在诸如光通信或光存储的技术领域，垂直腔面发射激光二极管 (下文中称为VCSEL)已越来越受到关注。与激光源所使用的边缘发射型半导体激光器相比，VCSEL的优势在于， 它们需要较低的阈值电流并具有较小的功耗。边缘发射型半导体激光器所 不具有的其他优异特性有可容易地获得圆的光斑；当VCSEL在晶片上时 也可以进行评价；以及可以按照二维阵列来排列光源。另一方面，因为 VCSEL的有源区的体积小(这导致低的阈值电流)，所以利用VCSEL难以获 得超过10 mW的高光输出。另一个缺点在于VCSEL的电阻通常为几十到几 百欧姆，这显著地高于边缘发射型半导体激光器的电阻(其为几个欧姆)。迄今已经采用了利用光纤的光通信用于数据传输，主要用于中到长距 离(几公里到几十公里)的数据传输。这样的传输使用了由石英制成的单 模光纤和激光发射峰值在1.31微米或1.55微米的长波长区域中的激光 器。这些是具有光纤中色散小或传输损耗极小的优点的光源。然而，它们 也具有如下许多缺点例如，可能需要对器件进行热控制，或者可能需要 进行光纤与激光器之间的光轴对准。另外，主要的用户是通信运营商，因 而这些光源针对普通消费者制造的产品的数量较少，这使得使用这些光源 的系统本身很昂贵。现在，由于非对称数字用户线(ADSL)和有线电视(CATV)的普及， 已实现了比以往高十倍至百倍的高速与高容量数据传输，互连网用户日益 增加。随着这种增加，即使在普通家庭中也开始需要更高速和更高容量的 数据传输，为许多家庭引入了光纤。然而，使用单模光纤(其主要用于中到长距离的传输)与分布反馈(DFB)激光器(其在诸如家庭与电线杆之间的通常为几米至最长几十米 的短距离中传输数据)的组合是不经济的。对于这样短距离(几百米以下) 的传输来说，使用诸如多模硅石光纤或塑料光纤(P0F)的更廉价光纤更 为经济。因此，用于这些多模光纤的光源本身应该是低廉的。另外，希望 不需要特别的光学系统或驱动系统。因而，满足这些要求的VCSEL是有希 望的候选之一。在诸如室内网络(indoor network)的局域网(LAN)的技术中，数 据传输速率已从每秒十兆比特增加到了每秒百兆比特。近来一些局域网提 供每秒一千兆比特的速率，希望在不远的将来将其增加到每秒十千兆比 特。使用由铜制成的双绞线的电配线每秒可以提供至多一千兆比特。然而， 预计对于超过每秒一千兆比特的区域，电配线将面临噪声电阻方面的限制 并被光配线所取代。采用VCSEL作为每秒传送十千兆比特的以太网(注册商标)所使用的 光配线的光源的情况越来越多，并且幵发了这种VCSEL。对于高至数千兆 赫兹的调制带宽来说，目前是没有问题的。然而，为了进一步增加调制带 宽，应采取一些措施。当感抗小得可以忽略不计时，可以通过下面的公式(1)来表示3dB 下截止频率(f，)(表示半导体激光元件的调制带宽的指标)；3dB 2ttCR其中C是元件的电容，R是元件的电阻。如根据公式中所见，调制带宽取 决于元件的CR时间常数，CR时间常数的减小可使得带宽扩大。如果发光区域的直径增加，则可以降低元件的电阻。然而，发光区域 直径增加不可避免地增大有源区的体积，这削弱了响应性。因此，发现提 高响应性的最容易的方式是减小元件的电容。为了减小VCSEL的元件的电容，提出了各种结构。典型的示例包括聚酰亚胺埋入型结构或共面电极结构。在平行平板导体之间产生的电容C可以通过下面的公式(2)获得 <formula>formula see original document page 10</formula>(2)
其中e。是真空介电常数(8.854X10—12F/m)， e s是材料固有的相对介电常 数，S是导体的面积，而d是导体之间的距离。在日本特开2002-368334号公报中公开的聚酰亚胺埋入型结构的情 况中，位于发光区域附近的台底部被厚的聚酰亚胺所掩埋，厚的聚酰亚胺 夹在形成于其上面和下面的电极之间，来降低电极之间的电阻。 一般来说， 难以形成厚的硅系绝缘膜。因此，该方法似乎是通过使用可以容易形成为 厚膜的绝缘聚酰亚胺来扩大公式(2)中的导体之间的距离d。然而，聚酰亚胺材料固有的相对介电常数es —般大于硅系绝缘膜的 相对介电常数。聚酰亚胺的相对介电常数es通常是硅系绝缘膜的相对介 电常数的两倍，因而应说明的是，聚酰亚胺膜应比硅系绝缘膜的情况厚数 倍来减小电容。日本特开2004-47532号公报公开了共面电极结构的激光器件。对于 通常的VCSEL， p侧或n侧中任一个上的两表面的电极形成在基板的后表 面上。然而，在共面电极结构中，p侧和n侧上的电极都形成在基板的主 表面，共面电极结构具有三端子结构，其中布置有夹着信号源端子的接地端子c该结构被设计为用来降低高频处的传输损耗，并确保与器件的阻抗匹 配。在该结构中，不容易形成平行平板电容器，这导致电容减小相当多。发明内容发明要解决的问题通过日本特开2002-368334号公报或日本特开2004-47532号公报中 示出的方法确实可以减小电容，并可以期望在响应性方面有所改善。然而， 只减小电容改善响应性的程度有限。作为深入研究的结果，发现尤其是对 于曰本特开2004-47532号公报中示出的共面电极结构仍存在改善的余地。图16是例示具有共面电极结构的现有技术VCSEL的结构的平面图。 该VCSEL包括基板上的用来发射激光的具有柱形台(mesa)(或柱)结构 的发光部l、以及布置在该台的顶部的环形P侧电极2。 P侧电极2通过环 形接触区3 (由阴影图案示出)连接到台的顶部上的P侧接触层。为了形成共面电极结构，接地侧上的n侧电极4a和4b通过接触孔电连接到有源 层下面的n型半导体层5 (由阴影图案示出)，接触孔延伸为围绕发光部l 的大部分。为了增加n侧电极4a和4b与n型半导体层5的接触面积，特 别是在图16中，ri侧电极4a和4b与n型半导体层5的接触部或接触孔延 伸超过穿过发光部1中心的6 二 ^ (弧度)的线L，并具有比线L大的角度。 然而已经发现，对于这种接触部结构，从P侧电极2扩散的载流子(箭头 表示电流流动的方向)误入线L下面的区域6，这造成了所谓的电流拥挤 (current crowding)。这增加了无助于发光的再结合，并使得阈值电流 高于期望值。另外，尽管形成接地侧上的两个电极4a和4b来形成共面电极结构， 但可以预计，这些电极的不适当布置可能会导致磁力线之间的干扰，导致 传输损耗。同样，对于致力于改善高频特性的现有技术VCSEL的电极结构，仍存 在改善的余地。本发明的一个目的是解决上述现有技术的问题，并提供一种具有优异 高频特性的VCSEL的共面电极结构。本发明的另一目的是在不使用复杂的 晶体生成或处理工艺的情况下以简单的结构来改善VCSEL的高频特性和传 输损耗。 '技术方案本发明的一个方面是提供一种VCSEL，该VCSEL包括基板；形成在 所述基板上的第一导电型的第一半导体层；形成在所述第一半导体层上的 有源层；形成在所述有源层上的第二导电型的第二半导体层；形成在所述 基板的主表面上的第一电极配线；形成在所述基板的主表面上的第二电极 配线；以及形成在所述基板上的发光部。所述第一电极配线与所述第一半 导体层电连接。所述第二电极配线与所述第二半导体层电连接。所述发光 部发射激光。所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接的接触部以所 述发光部为中心形成在等于或大于k /2弧度且在h弧度内的范围中。优选的是，所述接触部是由与所述发光部的中心间隔开第一距离的近
半径rl的近似弧线以及与所述发光部的中心间隔开第二距离的远半径r2 的近似弧线所包围的区域。此外，所述接触部具有交角约为^/2弧度的近 似L形。在该情况下，优选的是，所述第一电极配线具有对应于所述接触 部的近似L形的近似L形。而且，优选的是，所述第一电极配线连接到第一电极焊盘，而所述第 二电极配线连接到第二电极焊盘，并且所述第一电极焊盘的中心与所述第 二电极焊盘的中心之间的距离等于或小于100微米，所述第一电极焊盘和 所述第二电极焊盘在所述基板的主表面上相互不交叠。所述第一电极配线 可以是由至少等于或大于四个层构成的金属多层膜制成的。本发明的优点根据本发明，由于所述接触部以所述发光部为中心形成在等于或大于 /2弧度且在^弧度内的范围中，因此可以防止无助于激光发射的无效电 流的产生，并可以改善VCSEL的低阈值并使得光输出增加。当所述接触部是由近半径rl的近似弧线和远半径r2的近似弧线所包 围的区域时，所述发光部在h /2弧度的弧线角度的位置处最接近于所述接 触部，载流子扩散的距离是最短的。因此，这使得载流子平稳地流动，防 止无助于振荡的无效电流的产生。当所述接触部是近似L形时，抑制了相互干扰，可以保持不随时间改 变的稳定的电磁场分布，并可以维持输入信号的反射波损耗降低的状态。 结果，因为沿着所述第一电极配线的配线方向产生的磁场在与所述配线水 平的平坦表面(对应于芯片表面)中是垂直的，所以可以获得高质量的信 号传输。另外，通过将连接到所述第一电极配线的所述第一电极焊盘的中心与 连接到所述第二电极配线的所述第二电极焊盘的中心之间的距离设置为 通常不大于100微米，可以縮短对VCSEL进行安装和配线时的金属导线。 因此，可以将对高频特性的影响抑制到最小。而且，由于最终可以縮减芯 片尺寸，因此有利之处在于提高每晶片产量。所述第一电极配线通过所述接触孔或开口的底部与所述第一半导体 层接触的金属膜一般是由所使用的两层或三层构成的多层膜制成的。通过
制作至少有四层的金属膜，提高了所述第一电极配线的导电率和导热率， 并防止了局部焦耳热的产生。


将基于下面的附图来详细地描述本发明的实施例，在附图中-图1例示了根据本发明的示例的VCSEL的平面图和沿其中的线A-A截 取的示意性剖面图；图2A是用于说明根据本发明的示例的VCSEL的概念的示意性平面图， 图2B示出了电流流动；图3是例示了根据本发明的示例的VCSEL的共面电极结构的示例性构 成的示意性平面图；图4是其中安装有VCSEL的半导体激光器件的分解立体图；图5是示出根据本发明的示例的VCSEL的共面电极与副安装部之间的 位置关系的平面图；图6是示出共面线的特征阻抗与k之间的关系的曲线图；图7A至7C示出了用于说明根据本发明的示例的VCSEL的制造步骤的 示意性剖面图；图8是用于说明根据本发明的示例的VCSEL的制造步骤的示意性剖面图；图9是例示了图4中所示的半导体激光器件中安装有光学部件的模块 的构成的示意性剖面图；图10是例示了另一模块的构成的示意性剖面图；图11是例示了使用图9中所示的模块的光发送装置的构成的示意性 剖面图；图12例示了使用图9中所示的模块的空间传输系统的构成； 图13是例示了光传输系统的构成的框图； 图14例示了光传输装置的外观构成；图15例示了使用图14中的光传输装置的视频传输系统；并且 图16例示了现有技术的VCSEL的问题。
具体实施方式
将参照附图给出本发明的示例性实施例。根据示例性实施例的VCSEL优选地包括形成在半导体基板上的柱形结构(通常称为柱结构或台形状)， 并从柱的顶部或底部发射激光。图1是例示了根据本发明的示例的VCSEL的结构的平面图和沿着线 A-A截取的其剖面图。如图1所示，通过在半绝缘半导体基板12上依次堆 叠n型缓沖层14、 n型下多层反射膜16、夹在间隔体层18之间的有源层 20和p型上多层反射膜22来形成VCSEL 10。下多层反射膜16和上多层反射膜22形成分布式布喇格反射器(DBR)。 在基板12上，通过从上多层反射膜22进行刻蚀以到达下多层反射膜16， 而形成柱形的柱P。柱P的侧壁和外周部分由层间绝缘膜24所覆盖并保护。在柱P的顶 部，形成穿过层间绝缘膜24的圆形接触孔24a， p侧接触电极26形成并 定位于接触孔24a中。p侧接触电极26电连接到上多层反射膜22，并从 上多层反射膜22向有源层20注入激光发射所需的电流。在柱P中的上多 层反射膜22的部分中，形成有电流限制层30。在电流限制层30中，形成 有从柱P的侧面起被氧化的氧化区域30a。氧化区域30a包围圆形的导电 区域，以限制电流和光。在p侧接触电极26的中心部分，形成有圆形的 开口部28。开口部28与柱P中包括的氧化区域30a —起限定了从有源层 20发射的激光的发射区域。在形成柱P的底部的下多层反射膜16中，通过刻蚀形成有到达缓冲 层14的开口 32 (通孔)。围绕柱P在一定的范围中形成有开口 32。包括 开口 32在内的下多层反射膜16覆盖有层间绝缘膜24，但在开口 32的底 部，在层间绝缘膜24中形成有接触孔24b。 n侧电极34被布置为围绕对 应于开口 32的形状的柱P。 n侧接触电极34通过接触孔24b电连接到缓 冲层14。同样，可以获得在基板的主表面上形成有p侧接触电极26和n 侧接触电极34的共面电极结构。下面将参照作为示意性平面图的图2A和图2B，来描述示例性共面电
极结构。如上所述，在柱P的附近(图2A和图2B的上部)，形成有其最 深部分到达n型缓冲层14的开口 32。开口 32形成n侧接触电极34的接 触部40 (由虚线包围的区域)。n侦幡触电极34的各端子连接到矩形电极 焊盘42a和42b， p侧接触电极26连接到圆形电极焊盘44。根据本示例的共面电极结构的特征在于，柱P的顶部的开口部28的 中心C，换言之即在以柱P的发光部的光轴为中心时的接触部40 (或开口 32)形成在中心C的内角e为兀/2《e〈n (弧度)的范围中。接触部40的形状可以是弧线形、弧形或L形。接触部40优选地是L 形，并且其拐角是n/2弧度。n侧接触电极34被构图为L形以覆盖接触 部40，并与接触部40的形状一致。如图2A所示，更具体地说，接触部40形成在由与柱的发光中心C间 隔开一定距离的近半径rl的大致弧线与间隔开得比上述距离更远的远半 径r2的大致弧线所夹出的区域中。由两个弧线形成的角9等于或大于兀 /2弧度，并小于k弧度。到柱P的最近的部分根据由限定接触部40的弧 线所形成的角0而变化。当角9等于或大于"/2弧度时，发光部在9 二 jr /2的位置处最接近接触部。应注意，在角6小于it/2弧度的情况下，发光部最接近最大角度处的位置。相反，在角e等于或大于/2弧度的情况下，发光部在8=^/2的位置处最接近接触部40。图2B示意性地示出了从p侧接触电极注入的电流的流动。从p侧接 触电极26注入的电流沿方向Fl流动。注入的载流子通过由氧化区域30a 构成的电流限制层30在方向F2上扩散，并到达n侧接触电极34。此时， 载流子立即朝向接触部40扩散。对载流子而言，以最短的距离到达接触 部40是最有效的。换言之，将0设置为处在等于或大于tt /2弧度且小于 k弧度的范围中的角度的原因是为了使通过电极注入的载流子扩散的距 离尽可能短。这使得载流子平稳地流动，并防止发生无助于激光发射的无 效电流。另一方面，从p侧接触电极26注入的载流子穿过器件到达开口 32中 电连接的n侧接触电极34，并在n侧电极焊盘42a、 42b和p侧电极焊盘 44之间传播。图3例示了电流的流动F以及磁场H的方向。如图3所示，
载流子(电流)的流动F基于安培法则(右手螺旋法则)产生磁场H。n侧接触电极34的形状是近似L形，象飞镖一样，由其两边形成的 角度为^/2弧度。通过形成直角，沿着n侧接触电极34的两个配线方向 而产生的两个磁场H在器件的表面上相交。这不会造成相互干扰，并保持 不随时间改变的稳定的电磁场分布。结果，可以期望降低进入的信号的反 射波损耗并提高调制带宽。图4是例示了安装有图1中示出的VCSEL的半导体激光器件的示意性 构成的分解立体图。半导体激光器件50包括金属底座(基座(stem)) 52 和要安装在底座52上的盖54。在底座52的背面上，附接有多个引线端子 56，在底座52的正面上，安装有矩形的副安装部58。副安装部58例如是 通过在绝缘陶瓷元件的表面上利用为微带线的金属层进行金属化而形成 的。在副安装部58上，安装有图1中示出的VCSEL IO和用于进行监测的 感光元件60。在盖54的中心部分，形成有窗62，从VCSEL 10发射的激 光穿过窗62。图5是示出共面电极与副安装部之间的位置关系的平面图。在图5中， 连接到P侧接触电极26的电极焊盘44的中心与连接到n侧接触电极34 的电极焊盘42a和42b的中心之间的距离L。为100微米。电极焊盘42a和 42b中每一个的宽度都是60微米。这些值例如是根据基板材料(在该示例 中为砷化镓)的介电常数、共面电极线的取决于配线金属的厚度的特征阻 抗而确定的。在副安装部58上，形成有用于接地的微带线70a和70b，在微带线 70a与70b之间形成有用于信号输入的微带线72。 VCSEL芯片10侧的电极 焊盘42a和42b通过接合线74a和74b连接到微带线70a和70b。电极焊 盘44通过接合线76连接到微带线72。微带线70a、 70b和72通过接合线 (未示出)进一步电连接到底座侧的引线56 。微带线70a、 70b和72的特征阻抗与在等于或大于约5 GHz的频率处 工作的VCSEL的负荷阻抗大概匹配。图6是示出了共面线的特征阻抗与k 之间的关系的曲线图(Kazuhiko Honjo撰写的"Ultra-high frequency electronics" , The Nikkan Kogyo Shimbun， Ltd. ， 1999年)。k可以表述
为fW/(W+2G)，其中W是信号输入用线的宽度，G是从该线到其两侧上的 接地用线的距离。例如，当特征阻抗与约50欧姆相匹配时，根据图6的曲线图，K等 于或大于约0.5 (针对GaAs的曲线)。因此，将副安装部58的微带线70a 和70b与微带线72之间的距离D设置为10微米，并将微带线72的宽度 Wl设置为40微米。将电极焊盘42a和42b的中心与电极焊盘44的中心之间的距离L。设 置为100微米并将微带线的距离D和宽度Wl设置为上述值的另一优点在 于，可以縮短接合线74a、 74b和76 (它们是与介于VCSEL 10与金属底座 52之间的副安装部58的配线)的长度。这在改善器件的高频特性方面是 有效的。电极焊盘中心之间的距离L。不必限制为如上所述的100微米，可以进 一步縮短这些中心之间的距离L。。然而，如果电极焊盘在器件的表面上交 叠，则它们不用作独立的电极。因此，在中心之间的距离L。等于或小于 100微米的情况下，应根据中心距离适当地选择电极焊盘的宽度。此外，在根据本示例的共面电极结构中，将n侧接触电极34制成与 开口 32的底部上露出的缓冲层14电接触，由从底层起按照钛、金、金-锗合金、金的顺序的四层制成金属膜。由砷化镓制成的缓冲层14是通过 刻蚀而形成的露出层，因此杂质易于粘附于该层，难以获得与柱的顶部相 比的欧姆特征。因此，在开口 32中设置了由钛和金制成的下层电极之后， 在下层电极的上面设置由锗合金和金制成的上层电极，以改善欧姆阻抗。上层电极是长的并具有近似L形，因而热量通过该电极而耗散。因此， 可预计，这将产生器件的导热率提高且防止局部焦耳热的生成的效果。下面将更详细地描述根据示例的VCSEL。在下面的描述中，材料的标 记使用化学符号(元素符号或化学式)。如图7A所示，根据示例的VCSEL是通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD)在半绝缘的GaAs基板12上依次堆叠下述的层而形成的，这些 层是由n型GaAs层制成的缓冲层14;由n型Al。.8Gaa2As层和n型ALuGa^As 层的多层叠层制成的下多层反射膜16;由n型Al。.4Ga。.6AS层制成的间隔体
层18;由非掺杂的Al。.2Ga。.8AS层制成的势垒层和由非掺杂的GaAs层制成 的量子阱层的叠层制成的有源层20;以及由p型Al^Ga^As层和p型 Al。aGa。,9As层的多层叠层的制成的上多层反射膜22。缓冲层14是由厚度为2微米的GaAs制成的单层，在掺杂硅作为n型 杂质后的载流子浓度为1X 1019 cm:形成下多层反射膜16的各层的厚度是入/4nr (其中人是激光发射波 长，nr是介质的光折射率)。膜16是通过交替地堆叠34. 5个周期的具有不 同铝组成比的两个层而制成的。在掺杂硅作为n型杂质后的载流子浓度为 5X1018cm—3。有源层20是通过交替地堆叠厚度为8nm的由非掺杂GaAs层制成的量 子阱有源层和厚度为5nm的由非掺杂AlQ.2Ga。.8AS层制成的势垒层(其中外 层是势垒层)而形成的。有源层20布置在由非掺杂AlQ.4Ga。.BAS层制成的 间隔体层18的中心部分上。这样设计是为了使得包含量子阱有源层20和 势垒层的间隔体层18的膜厚度变为A Air的整数倍。根据具有这种结构的 有源层20，可以获得波长为850 mri的辐射光。与下多层反射膜16的情况相同，形成上多层反射膜22的各个层的厚 度是入/4nr。上多层反射膜22是通过交替地堆叠22个周期的具有不同铝 组成比的两个层而制成的。在掺杂碳作为p型杂质后的载流子浓度为5X 1018Cnf3。尽管未具体示出，但代替Ak8GaQ.2AS，上多层反射膜22的最底层是 高度为30nm并具有高于其他层的铝组成比的AlAs。这是因为在该层的部 分中稍后形成氧化区域从而使其成为电流限制部，并同时限制光而限定了 发光区域。上多层反射膜22的周期数(层数)少于下多层反射膜16的周期数的 原因是为了造成上部和下部之间的反射率差、并从基板的上表面产生激 光。另外，尽管未详细地描述，但是出于降低器件的串联电阻的目的，在 AlQ.8Gaa2As层与AktGa。,gAs层之间设置有具有这两个AlGaAs层的中间铝组 成比的中间层。尽管未具体地示出，但是代替Al。；a。,9As，上多层反射膜22的最上
层是厚度为20 nm的p型GaAs层，用以获得与稍后描述的p侧接触电极 26的欧姆接触。在掺杂锌作为p型杂质后的载流子浓度为1 X 1019cm—3。接着，如图7B所示，通过反应离子刻蚀(RIE)在外延基板上形成直 径为50 um的柱形结构。在高温蒸汽环境中对其上形成有柱P的基板进行热处理以形成氧化 区域30a。插入在上多层反射膜22的最底层中的AlAs层30具有比其他层 明显快得多的氧化速度，因此，氧化从柱的外周部分开始，其化学组成变 为氧化铝(A1203)。 Al203具有高绝缘特性和比其周围区域更低的折射率， 因此形成了电流限制及限光层。接着如图7C所示，进一步通过RIE,在柱P附近形成开口 32。在由 距柱P的发光中心的近半径rl的弧线和远半径r2的弧线所夹出的区域中 形成开口 32。接着如图8所示，在包括露出的柱侧面和通孔的侧面的基板的上表面 上，沉积膜厚度为0.5 iiiii的氮化硅(Si队)。然后分别在柱的顶部和幵口 32的底部形成接触孔24a和24b。留下的Si队用作层间膜(绝缘膜)24。接着，为了获得与上多层反射膜22的最上层中形成的p型GaAs层的 电接触以及与n型缓冲层14的电接触，在柱的顶部和开口 32的底部的每 一个处，形成由钛-金两层结构(Ti/Au)制成的下层金属膜。在柱P的顶 部处的下层金属膜中，在中心部分中形成直径为20um的开口部28以用 于发光。尽管未示出，但是形成了实施用的引出配线和电极焊盘，下层'金 属膜用作P侧接触电极26。在加到由Ti/Au制成的下层金属膜的开口 32中，加入由金-锗和金 (Au-Ge/Au)的两层结构制成的构图为L形的上层金属膜。尽管未示出， 但同时构图出实施用的引出配线和电极焊盘，该层用作n侧接触电极34。如上所述，根据示例，可以获得具有改善的高频特性的VCSEL。另一 优点是减小了无效电流。这改善了器件的响应特性以及可靠性。此外，长 度很长的电配线改进了散热性，由此可以高再现性和稳定性地获得发光效 率高且响应特性更好的VCSEL。在上述示例中，柱P具有柱形形状；然而，它例如可以是直角棱柱形
状，并且可以在本发明的操作原理的范围内根据需要选择形状。此外，在各个示例中，隔着有源层，基板远侧的导电类型是p型，而近侧是n型；然而也不必限于这些示例，导电类型也可以反过来。在根据这些示例的VCSEL中，示出了砷化镓系的化合物半导体激光 器；然而，不必限于这种材料。它可以是使用了氮化镓系或砷化铟镓系的 材料的半导体激光器，从而可以适当地改变激光发射波长。另外，根据这些示例，对于通过氧化步骤成为电流限制及限光部分的 氧化区域30a，使用了不包含镓的AlAs层。然而，不必限于这种材料，可 以使用Al。.9sGa。.。2As层或晶格(lattice)与半导体基板匹配且具有比周围 的半导体层高得多的氧化速度的材料。另外，根据这些示例，插入氧化区 域30a的位置在间隔体层18的上面；然而，可以插入在间隔体层18的下 面，或者可以既插入在间隔体层18的上面又插入在间隔体层18的下面。图9是例示了图4中所示的半导体激光器件上的其上安装有光学部件 的模块的示例的示意性剖面图。对与图4中的结构相同的结构，保留相同 的标号。在模块300中，在盖54的发射窗62中固定有球透镜310。将球 透镜310的光轴定位为与柱的顶部处的开口部28的近似中心一致。可以 调节VCSEL 10与球透镜310之间的距离，使得球透镜310包含在来自VCSEL 10的激光的辐射角6 1内。图10例示了优选地用于稍后描述的空间传输系统的另一模块的构 成。在图10所示的封装302中，代替使用球透镜310，在盖54的中心的 发射窗62中固定有平窗盖(玻璃)320。将平窗盖(玻璃)320的中心定 位为与VCSEL 10的光轴一致。可以调节VCSEL 10与平窗盖(玻璃)320 之间的距离，使得平窗盖(玻璃)320的开口直径等于或大于来自VCSEL 10 的激光的辐射角9 1。图11是例示了将图9中所示模块或封装应用于光发送装置的结构的 剖面图。光发送装置400包括固定到基座52的柱形壳体410、在壳体410 的端面上与壳体410 —体地形成的套筒420、保持在套筒420的开口 422 中的套圈430以及由套圈430保持的光纤440。在沿基座52的周向形成的凸缘312中，固定了壳体410的端部。套 圈430准确地定位在套筒420的开口 422中，光纤440的光轴与球透镜310 的光轴对准。在套圈430的通孔432中，保持了光纤440的芯。通过球透镜310来聚集从VCSEL 10的表面发射的激光。所聚集的光 注入到光纤440的芯中并被发送。尽管在上述示例中使用了球透镜310， 但也可以使用诸如双凸透镜或平-凸透镜的其他透镜。另外，光发送装置 400可包括用于将电信号施加到引线56的驱动电路。此外，光发送装置 400可以具有接收功能用以通过光纤440来接收光信号。图12例示了空间传输系统中使用了图9中所示封装的结构。空间传 输系统500包括模块300、会聚透镜510、散射板520以及反射镜530。在 空间传输系统500中，代替模块300所用的球透镜310，而使用了会聚透 镜510。由会聚透镜510聚集的光通过反射镜530的开口 532而被散射板 520反射。该反射光朝向反射镜530反射。反射镜朝向预定方向反射该反 射光，以执行光传输。对于用于空间传输的光源，可以使用多点型VCSEL 来获得更高的输出。图13例示了其中使用VCSEL作为光源的光传输系统的示例性结构。 光传输系统600包括包含VCSEL芯片10的光源610;光学系统620，例 如用于聚集从光源610发射的激光；光接收器630，用于接收从光学系统 620输出的激光；以及控制器640，用于控制对光源610的驱动。控制器 640向光源610提供用于驱动VCSEL的脉冲信号。利用用于空间传输的光 纤或反射镜将从光源610发射的光经由光学系统620传输到光接收器630。 光接收器630例如用光电二极管来检测激光。光接收器630能够通过控制 信号650来对控制器640的操作(例如，光传输的开始定时)进行控制。接着，将描述光传输系统所用的光传输装置的结构。图14是光传输 装置的外观图。光传输系统700包括外壳710;光信号发送/接收连接器 720;光发射/光接收元件730;电信号线缆连接器740;电源输入部750; 用于表示正常工作的LED760;用于表示异常的LED770、 DVI连接器780; 以及发送电路板/接收电路板790。图15例示了使用光传输装置700的视频传输系统。视频传输系统800包括视频信号发生器810;图像显示器820;用于DVI的电缆830;发送 模块840;接收模块850;用于视频信号传输光信号的连接器860;光纤870;用于控制信号的线缆连接器880;电源适配器890;以及用于DVI的 电缆900。为了将在视频信号发生器810处产生的视频信号发送到诸如液 晶显示器的图像显示器820，使用图14所示的光传输装置。对示例的前述描述是为了例示和描述的目的而提供的。其并非旨在穷 举或者将本发明限于所公开的确切形式。因此，应理解的是，在满足本发 明的要求的范围内可以通过其他方法来实现本发明。根据本发明的一个方面的VCSEL具有优异的高频特性，并可以用作用 于光纤通信、光互连等的光源。
权利要求
1、一种垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器包括基板；形成在所述基板上的第一导电类型的第一半导体层；形成在所述第一半导体层上的有源层；形成在所述有源层上的第二导电类型的第二半导体层；形成在所述基板的主表面上的第一电极配线，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接；形成在所述基板的所述主表面上的第二电极配线，所述第二电极配线与所述第二半导体层电连接；以及形成在所述基板上的发光部，该发光部用于发射激光，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接的接触部以所述发光部为中心形成在等于或大于约π/2弧度且在约π弧度内的范围中。
2、 根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述接触部 是由与所述发光部的中心间隔开第一距离的近半径rl的近似弧线以及与 所述发光部的中心间隔开第二距离的远半径r2的近似弧线所包围的区 域。
3、 根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述接触部 具有交角约为h /2弧度的近似L形。
4、 根据权利要求3所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述第一电 极配线具有与所述接触部的近似L形对应的近似L形。
5、 根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述第一电 极配线连接到第一电极焊盘，所述第二电极配线连接到第二电极焊盘， 并且所述第一电极焊盘的中心与所述第二电极焊盘的中心之间的距离等 于或小于约100微米，所述第一电极焊盘和所述第二电极焊盘在所述基 板的主表面上相互不交叠。
6、 根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述第一电 极配线是由至少等于或大于四个层构成的金属多层膜制成的。
7、 根据权利要求l所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述第一半导体层包括其中堆叠有具有不同铝组份的AlGaAs层的第一反射层，所述 第二半导体层包括其中堆叠有具有不同铝组份的AlGaAs层的第二反射 层。
8、 根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述接触部 包括形成在所述第一半导体层中的开口，所述第一电极配线通过该开口 电连接到所述第一反射层的AlGaAs层。
9、 根据权利要求8所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述第一半 导体层包括杂质浓度高于AlGaAs层的第一导电类型的GaAs缓冲层，所 述第一电极配线通过所述开口电连接到所述缓冲层。
10、 根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述发光 部包括柱形台和形成在该台的顶部处的其中心具有开口的电极，其中， 所述电极连接到所述第二电极配线。
11、 根据权利要求9所述的垂直腔面发射激光器，其中，所述台至 少包括第二半导体层，该第二半导体层包括从所述台的侧面起被氧化的 氧化区域和包含由所述氧化区域包围的导电区域的电流限制层。
12、 一种半导体激光器件，该半导体激光器件包括 垂直腔面发射激光器件；所述垂直腔面发射激光器安装于其上的安装件；以及 所述安装件安装于其上的底座，所述安装件包括形成于其上的第一传输线和第二传输线，所述第一 传输线和所述第二传输线中的每一个分别电连接到第一 电极焊盘和第二 电极焊盘，所述垂直腔面发射激光fe件包括基板；形成在所述基板上的第一 导电类型的第一半导体层；形成在所述第一半导体层上的有源层；形成 在所述有源层上的第二导电类型的第二半导体层；形成在所述基板的主 表面上的第一电极配线，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接; 形成在所述基板的所述主表面上的第二电极配线，所述第二电极配线与 所述第二半导体层电连接；以及形成在所述基板上的发光部，该发光部 用于发射激光，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接的接触部以所述发光 部为中心形成在等于或大于约"/2弧度且在约m弧度内的范围中。
13、 一种模块，该模块包括 半导体激光器件；以及 光学件，所述半导体激光器件包括垂直腔面发射激光器件；所述垂直腔面 发射激光器安装于其上的安装件；以及所述安装件安装于其上的底座，所述安装件包括形成于其上的第一传输线和第二传输线，所述第一 传输线和所述第二传输线中的每一个分别电连接到第一电极焊盘和第二 电极焊盘，所述垂直腔面发射激光器件包括基板；形成在所述基板上的第一 导电类型的第一半导体层；形成在所述第一半导体层上的有源层；形成 在所述有源层上的第二导电类型的第二半导体层；形成在所述基板的主 表面上的第一电极配线，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接； 形成在所述基板的所述主表面上的第二电极配线，所述第二电极配线与 所述第二半导体层电连接；以及形成在所述基板上的发光部，该发光部 用于发射激光，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接的接触部以所述发光 部为中心形成在等于或大于约tt /2弧度且在约弧度内的范围中。
14、 一种光发送装置，该光发送装置包括-模块；以及发送单元，该发送单元通过光学介质来发送从所述模块发射的激光， 所述模块包括半导体激光器件和光学件，所述半导体激光器件包括垂直腔面发射激光器件；所述垂直腔面 发射激光器安装于其上的安装件；以及所述安装件安装于其上的底座，所述安装件包括形成于其上的第一传输线和第二传输线，所述第一 传输线和所述第二传输线中的每一个分别电连接到第一电极焊盘和第二 电极焊盘， 所述垂直腔面发射激光器件包括基板；形成在所述基板上的第一 导电类型的第一半导体层；形成在所述第一半导体层上的有源层；形成 在所述有源层上的第二导电类型的第二半导体层；形成在所述基板的主 表面上的第一 电极配线，所述第一 电极配线与所述第一半导体层电连接； 形成在所述基板的所述主表面上的第二电极配线，所述第二电极配线与 所述第二半导体层电连接；以及形成在所述基板上的发光部，该发光部 用于发射激光，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接的接触部以所述发光 部为中心形成在等于或大于约^/2弧度且在约"弧度内的范围中。
15、 一种光空间传输装置，该光空间传输装置包括 模块；以及在空间上传输从所述模块发射的光的传输单元， 所述模块包括半导体激光器件和光学件，所述半导体激光器件包括垂直腔面发射激光器件；所述垂直腔面 发射激光器安装于其上的安装件；以及所述安装件安装于其上的底座，所述安装件包括形成于其上的第一传输线和第二传输线，所述第一 传输线和所述第二传输线中的每一个分别电连接到第一电极焊盘和第二 电极焊盘，所述垂直腔面发射激光器件包括基板；形成在所述基板上的第一 导电类型的第一半导体层；形成在所述第一半导体层上的有源层；形成 在所述有源层上的第二导电类型的第二半导体层；形成在所述基板的主 表面上的第一电极配线，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接; 形成在所述基板的所述主表面上的第二电极配线，所述第二电极配线与 所述第二半导体层电连接；以及形成在所述基板上的发光部，该发光部 用于发射激光，所述第一 电极配线与所述第一半导体层电连接的接触部以所述发光 部为中心形成在等于或大于约"/2弧度且在约"弧度内的范围中。
16、 一种光发送系统，该光发送系统包括 模块；以及发送单元，该发送单元发送从所述模块发射的激光， 所述模块包括半导体激光器件和光学件，所述半导体激光器件包括垂直腔面发射激光器件；所述垂直腔面 发射激光器安装于其上的安装件；以及所述安装件安装于其上的底座，所述安装件包括形成于其上的第一传输线和第二传输线，所述第一 传输线和所述第二传输线中的每一个分别电连接到第一 电极焊盘和第二 电极焊盘，所述垂直腔面发射激光器件包括基板；形成在所述基板上的第一 导电类型的第一半导体层；形成在所述第一半导体层上的有源层；形成 在所述有源层上的第二导电类型的第二半导体层；形成在所述基板的主 表面上的第一电极配线，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接； 形成在所述基板的所述主表面上的第二电极配线，所述第二电极配线与 所述第二半导体层电连接；以及形成在所述基板上的发光部，该发光部 用于发射激光，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接的接触部以所述发光 部为中心形成在等于或大于约k /2弧度且在约弧度内的范围中。 17、 一种光空间传输系统，该光空间传输系统包括 模块；以及传输单元，该传输单元空间地传输从所述模块发射的光， 所述模块包括半导体激光器件和光学件，所述半导体激光器件包括垂直腔面发射激光器件；所述垂直腔面 发射激光器安装于其上的安装件；以及所述安装件安装于其上的底座，所述安装件包括形成于其上的第一传输线和第二传输线，所述第一 传输线和所述第二传输线中的每一个分别电连接到所述第一电极焊盘和 所述第二电极焊盘，所述垂直腔面发射激光器件包括基板；形成在所述基板上的第一 导电类型的第一半导体层；形成在所述第一半导体层上的有源层；形成 在所述有源层上的第二导电类型的第二半导体层；形成在所述基板的主 表面上的第一电极配线，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接; 形成在所述基板的所述主表面上的第二电极配线，所述第二电极配线与 所述第二半导体层电连接；以及形成在所述基板上的发光部，该发光部用于发射激光，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接的接触部以所述发光部为中心形成在等于或大于约n /2弧度且在约k弧度内的范围中。
全文摘要
本发明提供一种具有改善的高频特性的垂直腔面发射激光器、半导体激光器件及光发送装置。该垂直腔面发射激光器包括基板；形成在所述基板上的第一导电类型的第一半导体层；形成在所述第一半导体层上的有源层；形成在所述有源层上的第二导电类型的第二半导体层；形成在所述基板的主表面上的第一电极配线，所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接；形成在所述基板的所述主表面上的第二电极配线，所述第二电极配线与所述第二半导体层电连接；以及形成在所述基板上的发光部，该发光部用于发射激光。所述第一电极配线与所述第一半导体层电连接的接触部以所述发光部为中心形成在等于或大于π/2弧度并且在π弧度之内的范围中。
文档编号H01S5/183GK101127433SQ20071009106
公开日2008年2月20日 申请日期2007年4月6日 优先权日2006年8月17日
发明者中村毅, 向山尚孝, 植木伸明, 石井亮次 申请人:富士施乐株式会社