专利名称：漏斗结构垂直外腔面发射激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器，更具体地涉及一种表面发射激光器和垂直外腔面发射激光器(vertical external cavity surface emitting laser，VECSEL)。
背景技术：
参考图1A，以截面图方式说明了一种传统的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。如说明的，该VCSEL的各个层包括n-GaAs(砷化镓)衬底2、在n-DBR(分布式布喇格反射器)层4和p-DBR(分布式布喇格反射器)层8之间的有源层6、和顶导电层10。腔12垂直于上述层，其使得光束在垂直方向上发射。在所述结构中孔大约是20μm。然而，如重叠曲线14所说明，由于在有源层中的不均匀载流子分布(电流拥挤)，传统的VCSEL设计受基本横向作用方式的限制。例如，很难完成具有大于7-8μm的孔产生单模式信号的设计，这限制了传统VCSEL中的基本横向功率模式。
图1B说明了在美国专利No.6,243,407中公开的洛瓦鲁可斯延伸腔表面发射激光器(Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser，NECSEL)的相关技术。NECSEL激光器的发射面积据说是比传统的VCSEL大数十倍，从而允许定标到大功率水平。设计更大的发射面积用来解决传统VCSEL设计的电流拥挤问题。因为衬底厚，据说能提供距有源区的足够距离，这样使得载流子可以横向扩散并由此在有源区中提供更加均匀的载流子分布。然而，为了增大具有均匀的载流子分布的孔径尺寸，NECSEL使用了非常厚的GaAs衬底20(例如＞100μm)。
发明内容
本发明的实施例解决这些及其它问题。根据一个方面，表面发射激光装置包括设置在第一电极层和第一反射层之间的第一衬底。有源区设置在第一反射层和第二反射层之间。电流阻挡层设置在有源区和第二电极层之间以形成孔。第一半导体层可以设置在第二电极层和第二反射层之间。第二电极层可以具有基本上与孔对准的开口。电流漏斗区可以位于在孔与第二电极的开口之间形成的腔中。可以配置电流漏斗区以促进经过腔的导电。
根据另一方面，提供一种表面发射激光装置，包括设置在第一电极层和第一反射层之间的第一衬底；设置在第一反射层和第二反射层之间的有源区，其中电流阻挡层设置在有源区和第二电极层之间以形成孔；设置在第二电极层和第二反射层之间的第一半导体层和第二半导体层，其中第二电极层具有基本与孔对准的开口；和位于孔和第二电极的开口之间腔中的电流漏斗区，其中配置电流漏斗区以促进跨过第二反射层、第一半导体层和第二半导体层的导电。
结合附图根据以下的详细说明，本发明的上述和其它的目的、特征和优点将会变得更加明显，其中同样的参考数字表示类似的或相同的元件，并且其中图1A是说明传统VCSEL结构的层的剖面图；图1B是说明传统NECSEL结构的层的剖面图；图2A是根据本发明至少一个实施例的表面发射激光器的层的剖面图；图2B说明根据本发明的至少一个实施例的关于图2A的表面发射激光器的载流子分布图；图3是根据本发明至少一个实施例的表面发射激光器的层的剖面图；图4是根据本发明至少一个实施例的表面发射激光器的层的剖面图；图5是根据本发明至少一个实施例的垂直外腔面发射激光器(VCSEL)的剖面图；图6是根据本发明至少一个实施例的电流阻挡层的另一位置的说明；及图7是根据本发明至少一个实施例的表面发射激光器的层的剖面图。
具体实施例方式
在以下描述和涉及到本发明具体实施例的相关图中公开了发明的方面。在没有离开发明范围的情况下可作出替代的实施例。另外，将不会详细描述或将省略发明公知的元件以免使发明的有关细节不明显。
在这里使用词“示例”意为“当作例子、实例或说明”。这里作为“示例”描述的任何实施例并没有必要解释为比其它实施例更优选或更好。同样地，术语“发明实施例”并不需要发明的所有实施例包括所讨论的特征、优点或工作方式。
转到附图，图2A说明发明的至少一个示范性的实施例。如截面图中所示，可以在p-DBR层208上生长未掺杂或n掺杂的砷化镓(n-GaAs)层210和p-GaAs层212。可以改变p-DBR层的反射率(例如在从大约30％至90％的范围内)。p-n-p结构可以防止载流子穿过未掺杂或n掺杂GaAs，但是基本上不削弱在有源区206中产生的光。使用锌(Zn)扩散或注入技术，可以朝向垂直腔的中心形成漏斗状电流经过区220。本领域的技术人员将会理解在垂直腔中可以形成多于一个区，并且可以使用多个一致或变化尺寸的区以进一步调整或优化载流子分布。
通过比较图1A和2A可以看出，基本子结构类似于传统的VCSEL结构。因此，不提供层和操作的详细解释。如图2A中所述，上述的p-n-p结构位于传统的VCSEL结构之上。特别地，n-GaAs衬底202、n-DBR层204、有源区206、绝缘体(例如氧化物)层207和p-DBR层208形成了基本结构。未掺杂或n掺杂(n-GaAs)层210和p-GaAs层212位于p-DBR层208上面，其形成通常阻止层间载流子传导的p-n-p结构。然而，跨过p-n-p结构形成的电流漏斗区220促进腔中的载流子传导(例如，如箭头218所示)。如所述的，电流漏斗区220通常与由顶电极214和孔216形成的腔对准。
参考图2B，说明了图2A的实施例的载流子分布。载流子分布由经过电流漏斗区和有源区的二步扩散而确定。例如，说明了经过电流漏斗区(例如锌扩散)的载流子分布250和经过有源区的载流子分布260。当与图1A的传统的载流子分布14比较时，可以在有源区得到均匀的载流子分布260。均匀的有源区尺寸可以通过顶GaAs层、未掺杂或n掺杂GaAs层、p-DBR层的厚度和漏斗的尺寸来控制。例如，漏斗的更窄宽度提高在有源区的均匀载流子分布。为增大在有源区的均匀载流子分布尺寸，优选漏斗的宽度较宽。然而在这种情况下，增加了p-DBR层的厚度。P-DBR层厚度可以通过多种技术增加，例如利用3/4λ层代替1/4λ层和/或在DBR的顶部上插入p-GaAs虚拟层。
图2A的实施例通常可以认为是空穴载流子布局。Zn被用作受主掺杂剂以形成电流漏斗区；然而，本领域的技术人员可以理解能够使用其它类型的受主掺杂剂。相反，在图3中说明的实施例是电子载流子布局，并且具有n-p-n结构以及使用施主型掺杂剂(例如硅)。而且，本领域技术人员会理解偏压将与空穴载流子布局相反(例如顶电极是接地电极)。
参考图3，举例说明了发明的另一实施例。如上讨论，这个布局可以称作电子载流子布局，并且通常具有与图2A中说明的实施例相反的掺杂剂类型。因此，基本结构由p-GaAs衬底302、p-DBR层304、有源区306、绝缘体(例如氧化物)层307和n-DBR层408形成。p-GaAs层310和n-GaAs层312位于n-DBR层308之上，其形成通常阻止层间载流子传导的n-p-n结构。在腔中跨过n-p-n结构形成的电流漏斗区320是硅(Si)扩散区。如所述，电流漏斗区320通常与由顶电极314和孔316形成的腔对准。一般地，图3的电子载流子布局与图2A的空穴载流子布局相比在有源区具有更平坦的载流子分布。
参考图4，说明本发明的另一可选择的实施例。这个布局也可以指电子载流子布局并且通常具有施主掺杂剂类型。然而基本结构包括隧道结425，以及具有相似类型的反射层404和408。如所述，基本结构由n-GaAs衬底402、第一n-DBR层404、有源区406、绝缘体(例如氧化物)层407和第二n-DBR层408形成。另外，隧道结位于有源区406和第二n-DBR层408之间。隧道结425由现有技术中已知的重掺杂n+/p+结形成。p-GaAs层410和n-GaAs层412位于n-DBR层408上，其形成通常阻止层间载流子导电的n-p-n结构。在腔中跨过n-p-n结构形成的电流漏斗区420是硅(Si)扩散区。如所述，电流漏斗区420通常与由顶电极414和孔416形成的腔对准。引入的隧道结425允许n-p-n结构与n-GaAs基本衬底结构一起使用。如上所述，因为使用了电子扩散(与空穴扩散相反)，与图2A的结构相比，这个结构具有有源区406更加平坦的载流子分布和更快的载流子迁移率。
前述实施例仅仅是说明性的，并不倾向限定发明到所述的布局和/或材料。因此，发明的实施例可以包括表面发射激光装置，其包括设置在第一电极层(例如201、301、401)和第一反射层(例如204、304、404)之间的第一衬底(例如202、302、402)。有源区(例如206、306、406)可以设置在第一反射层和第二反射层(例如208、308、408)之间。电流阻挡层(例如207、307、407)可以设置有源区上以形成孔(例如216、316、416)。第一半导体层(例如210、310、410)和第二半导体层(例如212、312、412)可以设置在第二电极层(例如214、314、414)和第二反射层之间。第二电极层可以具有基本与孔对准的开口。电流漏斗区(例如220、320、420)可以位于形成在孔与第二电极开口之间的腔中。可以配置电流漏斗区以促进跨过第二半导体层、第一半导体层和第二反射层的导电。
如前面所讨论和说明的，第一衬底和第一反射层可以是相同的掺杂(例如n型或p型)。另外，在某些实施例中，第二反射层是相反的掺杂。并且第一半导体层是与第二半导体层相反的掺杂。例如，如图2A中所述，第一衬底是n-GaAs衬底，第一反射层是n-DBR层，第二反射层是p-DBR层，以及第一和第二半导体层分别是n-GaAs和p-GaAs。可选择地，如图3中所述，第一衬底是p-GaAs衬底，第一反射层是p-DBR层，第二反射层是n-DBR层，以及第一和第二半导体层分别是p-GaAs和n-GaAs。
例如在图4中说明的另一实施例中，隧道结层可以设置在有源区和第二反射层之间。在这个结构中，第一衬底与第一和第二反射层是相同的掺杂。然而，第一半导体层仍是与第二半导体层相反的掺杂。例如，第一衬底可以是n-GaAs衬底，第一反射层和第二反射层是n-DBR，以及第一和第二半导体层分别是p-GaAs和n-GaAs。
参考图5，根据本发明的至少一个实施例说明了另一结构。因此，表面发射激光装置510，例如上面讨论的那些，可以进一步包括输出耦合器530和非线性光学元件520。非线性光学元件520设置在第二导体515和输出耦合器530之间。非线性光学元件520和输出耦合器530基本与形成在孔和第二电极515的开口之间的腔对准。如所述，非线性光学元件520可以是倍频元件如二次谐波产生(SHG)晶体以使表面发射激光器的输出频率加倍。因此，红外激光束525被转变成可见光激光束535并从输出耦合器530传播。如所述的，非线性光学元件520和输出耦合器530位于表面发射激光装置510的外部，这样形成VECSEL。
如前面的说明书所述，发明不局限于所述的材料。例如，DBR层可以由4～40对AlAs/GaAs或Al(Ga)As/(Al)GaAs形成，从而为激光腔提供高反射率并阻止载流子扩散。有源区可以包括1～3个量子阱(QW)作为泵浦(pump)吸收和增益区。例如，InGaAs QW(或InGaAs量子点，或InAs(N)QD，或GaInNAs QW或QD)提供增益，并且GaAsP层可以提供应变消除。除了锌(Zn)，可以使用其它的受主如Mg或C形成电流漏斗区。本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对具体材料作出不同的修改/替换。
另外，如前面所述，发明的实施例并不局限于这里说明的例子。例如，如图6中所述，电流阻挡层607可以设置在第二反射层608上。因此，发明的另一实施例可以包括如图6中所述的电流阻挡层的另一位置。例如，有源区606可以设置在第一反射层604和第二反射层608之间。电流阻挡层607可以设置在第二反射层608之上以形成孔。第一半导体层610和第二半导体层612可以设置在第二电极层614和第二反射层608之间。第二电极层614可以具有基本与孔对准的开口。电流漏斗区620可以位于在孔和第二电极开口之间形成的腔内。电流漏斗区可以配置用于促进跨过第二半导体层、第一半导体层和第二反射层的导电，如前面所述实施例那样。在图6中没有描述所有层，以强调可以修改图2A、3和4中的实施例以对应图6中所述的结构。因此，对所述实施例的这些和其它修改被认为是在本发明的范围内，并且本发明并不局限于这里所述的安排。
通过前面的说明，在不借助NECSEL设计的厚n-GaAs衬底的情况下，本领域技术人员将会理解本发明的实施例得到低的自由载流子吸收。同样地，本发明实施例允许简单加工(即不需要背面加工)。并且，当与NECSEL设计比较时，能得到有效倍频，并且由于更小的尺寸可以得到小型阵列。另外，在形成本发明中可以使用传统技术。然而，当使用扩散工艺时，优选保持扩散工艺足够低的温度(例如当涉及到QW生长温度时＜650℃)，以免损坏QW的质量。
在图7中说明了本发明的另一实施例。在所述实施例中，代替使用掺杂剂扩散或注入，可以使用离子或质子注入技术以限定如图7中所述的漏斗结构。本领域的技术人员将会理解，前面所讨论的n-p-n或p-n-p电流阻挡结构没有在这个实施例中使用。例如，如所述的，电极层701、n-GaAs衬底702、n-DBR层704、有源区706、绝缘体(例如氧化物)层707和p-DBR层708形成了基本结构。p-GaAs层710位于p-DBR层708和第二电极层714之间。电流漏斗区720由通常与由顶电极714和孔716形成的腔对准的高电阻率区712(例如，在p-GaAs层710中通过质子注入形成)限定。
因此，本发明的实施例可以包括具有设置在第一电极层(例如701)和第一反射层(例如704)之间的第一衬底(例如702)的表面发射激光装置。有源区(例如706)可以设置在第一反射层和第二反射层(例如708)之间。电流阻挡层(例如707)可以设置在有源区和第二电极层(例如714)之间以形成孔。第一半导体层(例如710)可以设置在第二电极层和第二反射层之间。第二电极层具有基本与孔对准的开口。电流漏斗区(例如720)可以位于在孔和第二电极的开口之间的腔中，并配置以促进在腔中的导电。另外，电流漏斗区可以由设置在第一半导体层中腔附近的高电阻率区(例如712)限定。高电阻率区可以由质子注入和离子注入中的至少一种形成。
并且，第一衬底可以是n-GaAs衬底，第一反射层可以是n-DBR层，第二反射层可以是p-DBR层，以及第一半导体层可以是p-GaAs层。或者，第一衬底可以是p-GaAs衬底，第一反射层可以是p-DBR层，第二反射层可以是n-DBR层，以及第一半导体层可以是n-GaAs层。有源区可以由如上讨论的多量子阱形成。同样地，输出耦合器和非线性光学元件可以设置在第二电极和输出耦合器之间。非线性光学元件和输出耦合器基本上与在孔和在第二电极层开口之间形成的腔对准，位于第二电极层的外部，以形成垂直外部腔表面发射激光器(VECSEL)，如图5中所示。
应该强调术语“包括”和“包含”，当在说明书和权利要求中使用时，是认为所述特征、步骤或元件的存在；但是这些术语的使用并没有排除一个或多个其它特征、步骤、元件或其组合的存在或加入。
已经描述了申请发明的不同实施例，但是本领域的技术人员可以理解这些实施例仅仅是说明性的，其它许多实施例都是可能的。本发明想要保护的范围由所附权利要求书提出，而不是前述说明书，并且在权利要求范围内的所有变化都计划包含在其中。
权利要求
1.一种表面发射激光装置，包括设置在第一电极层和第一反射层之间的第一衬底；设置在所述第一反射层和第二反射层之间的有源区，其中电流阻挡层设置在所述有源区和第二电极层之间以形成孔；设置在所述第二电极层和所述第二反射层之间的第一半导体层，其中所述第二电极层具有基本与所述孔对准的开口；及在位于所述孔和所述第二电极的开口之间的腔中的电流漏斗区，其中配置电流漏斗区以促进腔内的传导。
2.权利要求1的装置，进一步包括设置在所述第一半导体层和所述第二电极之间的第二半导体层，其中所述第二反射层、所述第一半导体层和所述第二半导体层形成p-n-p结构，并且其中所述电流漏斗区由在所述腔中的锌扩散和锌注入中的至少一种形成。
3.权利要求2的装置，其中所述第一衬底是n-GaAs衬底，所述第一反射层是n-DBR，所述第二反射层是p-DBR层，并且所述第一和第二半导体层分别是n-GaAs和p-GaAs。
4.权利要求1的装置，进一步包括设置在所述第一半导体层和所述第二电极之间的第二半导体层，其中所述第二反射层、所述第一半导体层和所述第二半导体层形成n-p-n结构，并且其中所述电流漏斗区由在所述腔中的硅扩散和硅注入的至少一种形成。
5.权利要求4的装置，其中所述第一衬底是p-GaAs衬底，所述第一反射层是p-DBR，所述第二反射层是n-DBR层，并且所述第一和第二半导体层分别是p-GaAs和n-GaAs。
6.权利要求1的装置，其中所述电流漏斗区由设置在所述第一半导体层中所述腔附近的高电阻率区限定。
7.权利要求6的装置，其中所述高电阻率区由质子注入和离子注入的至少一种形成。
8.权利要求7的装置，其中所述第一衬底是n-GaAs衬底，所述第一反射层是n-DBR层，所述第二反射层是p-DBR层，并且所述第一半导体层是p-GaAs层。
9.权利要求7的装置，其中所述第一衬底是p-GaAs衬底，所述第一反射层是p-DBR层，所述第二反射层是n-DBR层，并且所述第一半导体层是n-GaAs层。
10.权利要求1的装置，其中所述有源区由多重量子阱形成。
11.一种表面发射激光装置，包括设置在第一电极层和第一反射层之间的第一衬底；设置在所述第一反射层和第二反射层之间的有源区，其中电流阻挡层设置在所述有源区和第二电极层之间以形成孔；设置在所述第二电极层和所述第二反射层之间的第一半导体层和第二半导体层，其中所述第二电极层具有基本与所述孔对准的开口；和在位于所述孔和所述第二电极的开口之间的腔中的电流漏斗区，其中配置所述电流漏斗区以促进跨过所述第二反射层、所述第一半导体层和所述第二半导体层的导电。
12.权利要求11的装置，其中所述电流漏斗区由锌扩散和锌注入中的至少一种形成。
13.权利要求11的装置，其中所述电流漏斗区由硅扩散和硅注入中的至少一种形成。
14.权利要求11的装置，其中所述第一衬底和所述第一反射层是同样的掺杂，其中所述第二反射层是相反的掺杂，并且其中所述第一半导体层是与所述第二半导体层相反的掺杂。
15.权利要求14的装置，其中所述第一衬底是n-GaAs衬底，所述第一反射层是n-DBR，所述第二反射层是p-DBR层，所述第一和第二半导体层分别是n-GaAs和p-GaAs。
16.权利要求14的装置，其中所述第一衬底是p-GaAs衬底，所述第一反射层是p-DBR，所述第二反射层是n-DBR层，并且所述第一和第二半导体层分别是p-GaAs和n-GaAs。
17.权利要求11的装置，其中所述有源区由多重量子阱形成。
18.权利要求11的装置，进一步包括设置在所述有源区和所述第二反射层之间的隧道结层。
19.权利要求18的装置，其中所述第一衬底与所述第一和第二反射层是同样的掺杂，并且其中所述第一和第二半导体层是相反的掺杂。
20.权利要求19的装置，其中所述第一衬底是n-GaAs衬底，所述第一反射层和第二反射层是n-DBR层，并且所述第一和第二半导体层分别是p-GaAs和n-GaAs。
21.权利要求1的装置，进一步包括输出耦合器；和设置在所述第二电极和所述输出耦合器之间的非线性光学元件，其中所述非线性光学元件和所述输出耦合器基本与形成在所述孔和所述第二电极开口之间的腔对准。
22.权利要求21的装置，其中所述非线性光学元件是二次谐波产生晶体。
23.权利要求21的装置，其中配置非线性光学元件以加倍表面发射激光器的输出频率。
24.权利要求21的装置，其中所述非线性光学元件和所述输出耦合器在所述第二电极层外部，并形成垂直外腔面发射激光器。
25.权利要求21的装置，其中所述输出耦合器是镜子。
26.权利要求1的装置，其中所述电流阻挡层设置在所述有源区上。
27.权利要求1的装置，其中所述电流阻挡层设置在所述第二反射层上。
全文摘要
公开了一种表面发射激光装置。第一衬底设置在第一电极层和第一反射层之间。有源区设置在第一反射层和第二反射层之间。电流阻挡层设置在有源区上以形成孔。第一半导体层可以设置在第二电极层和第二反射层之间。第二电极层可以具有基本与孔对准的开口。电流漏斗区可以位于形成在孔和第二电极开口之间的腔内。可以配置电流漏斗区以促进腔内的传导。
文档编号H01S5/343GK1783604SQ20051002303
公开日2006年6月7日 申请日期2005年10月14日 优先权日2004年10月14日
发明者金泽 申请人:三星电子株式会社