专利名称：具有可见光分布布拉格反射器的垂直谐振腔表面发射激光器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及分层光学器件，尤其是涉及激光光学器件。
由于具有高的操作效率和调节能力，现今，传统的边沿发射半导体激光器在光通信中担任着更重要的角色；然而，传统的边沿发射半导体激光器有着一些缺点和问题，这样使得传统的边沿发射器件难以适用于某些应用。
然而，最近垂直谐振腔表面发射激光器(VCSEL)得到了更多的关注。传统的VCSEL有着一些优点，例如，平面结构、发射光垂直于模的表面以及可能以阵列形式制造。然而，尽管传统的VCSEL有着一些优点，但对于可见光谱，它也有着一些缺点，例如，低的效率、低的分布式布拉格反射器反射率等等。另外，由于这些问题，可见光谱的VCSEL的可制造性受到了严重的限制。
一种解决此反射率问题的传统方法是增加组成传统分布式布拉格反射器反射元件或交迭层(alterating layers)的数目。然而，这种方法并没有解决传统VCSEL的反射率问题，而是恶化了其他一些问题，例如缺陷密度及类似问题，从而限制了可制造性。
例如，由于传统分布式布拉格反射器的低反射率，需要淀积一些附加的交迭层(例如多达50到200的附加交迭层)以试图增加传统分布式布拉格反射器的反射率。然而，增加交迭层的数目就要增加制造成本。尤其是，和用于制造层的时间一样，交迭层的缺陷密度也随着交迭层的增加而增加，从而使得在降低VCSEL制造质量的同时，大大增加了制造传统VCSEL的成本，这样使得为此目的的传统VCSEL不适于大批量的生产。
易见传统的边缘发射半导体激光器和传统的垂直谐振腔表面发射激光器具有一些缺点和问题，从而不能用于大批量的生产应用。因此，急需具有改善VCSEL可靠性的一种VCSEL及其制造方法，该方法可简化制造过程，降低成本。
图1是一个放在衬底上的放大的VCSEL器件简化横截面的例子；图2是一简化的波长和反射率关系的说明图。
图1图示了一个制作于衬底102上的放大了的垂直谐振腔表面发射激光器(VCSEL)101，该VCSEL具有表面105和110，从VCSEL101发射光120。应该明白，尽管图1只图示了单个VCSEL101，但VCSEL101可代表许多放置在衬底102上而形成阵列的VCSEL。通常，VCSEL101由一些确定的区域组成，例如，一个分布式布拉格反射器103，该反射器具有许多的交迭层，如图示中的层111和112，一个包层区(cladding region)104，一个有源区106，一个包层区107，一个分布式布拉格反射器108，该反射器具有许多的交迭层，如图示中的层117和118，和一个接触区109。
在此例中，衬底102由任何合适的材料制成，例如砷化镓，硅，或类似的材料。典型情况下，衬底102由砷化镓制成以易于以后组成VCSEL101的复合层的外延生长。
典型情况下，任何合适的外延淀积方法都可用于生成VCSEL101所需要的复合层，例如分子束外延(MBE)，金属有机化学汽相淀积(MOCVD)，或类似方法。这些方法使得可外延淀积下述的材料层，例如，铟铝镓磷，铝砷，镓砷，铝砷镓，铝磷镓，铟磷铝等等。应该明白外延淀积广泛地用于产生组成VCSEL101的众多层。
现在提及分布式布拉格反射器103和108，应该明白首先淀积分布式布拉格反射器103，随后淀积限定的包层区104，有源区106，包层区107，分布式布拉格反射器108和接触区109。通常，交迭层111，112，117和118的厚度一般设定为VCSEL101发射光120的设计波长的一部分。这样，交迭层111，112，117和118的具体厚度是所设计的VCSEL101的工作波长的函数。一般最常用的波长值取1/4，1/2，3/4，全波长，或它的任意倍数。在本发明的优选实施方式中，使用1/4波长厚度。
通常，分布式布拉格反射器103和108掺杂成一个为N型，另一个为P型。由于在本领域内大家都了解掺杂度，在此就不描述掺杂度，而是确定材料不掺杂或是碳，锌等的P型掺杂或铍，硅等的N型掺杂。简言之，分布式布拉格反射器103和包层区104的一部分是N型掺杂，包层104的一部分，有源区106，及包层107的一部分不掺杂，包层107的一部分，分布式布拉格反射器108，及接触区109是P型掺杂。
在本发明中，具有交迭层111和112，117和118的分布式布拉格反射器103和108由任何适当的材料制成，例如铟铝镓磷和砷化铝(例如In.49AlxGa51-xP/AlAs)，铟铝镓磷和铟铝磷(例如In.49AlxGa.51-xP/In.49Al.51P)，以及铝镓砷和砷化铝(例如，Al.5Ga.5As/AlAs)，这些材料以外延方式配置或淀积覆盖在衬底102上，从而产生在可见光谱具有远高于传统分布式布拉格反射器反射率的分布式布拉格反射器103和108。另外，应该明白在上述的各个例子中，一个特定元素的百分比组成仅作为一个例子。还应该明白这些例子有多种变化，它们应看成本发明的一部分。
例如，选择铟铝镓磷和砷化铝(In.49AlxGa.51-xP/AlAs)作为分布式布拉格反射器103和108的一个材料组成结构，以便于有源区106产生的可见光的反射。通过使铟的百分比组成为48％到50％可使铟铝镓磷得到适当的反射率。改变铟的百分比组成，相应的也要改变镓的百分比组成，镓的百分比组成改变的标准范围为52％到50％。另外铝的百分比密度的范围可为0％到51％，优选范围为5％到15％，标准范围为7％到13％。值得指出的是铝的百分比组成的增加减少了镓的百分比密度，这样才使组成平衡。
另外一个例子，选择铟铝镓磷和铟铝磷(In.49AlxGa.51-xP/In.49Al.51P)作为分布式布拉格反射器103和108的一个材料组成结构，同样以便于有源区106产生的可见光的反射。本例中的铟铝镓磷可象如前所述变化。另外，铟铝磷也可以改变，铟的百分比组成范围为48％到50％。铝的百分比组成范围可为1％到10％，优选范围为8％到2％，标准范围为4％到6％。
在又一个例子中，选择铝镓砷和铝砷(Al.5Ga.5As/AlAs)作为分布式布拉格反射器103和108的一个材料组成结构，同样以便于有源区106产生的可见光的反射。然而，在此例中，铝镓砷中的铝和镓可以变化。通常，铝镓砷中的铝可从0％改变到100％，其标准的改变范围为40％到60％，镓可从0％改变到100％，其标准的改变范围为40％到60％。
通过分别选择上述任何例子作为交迭层111，117和112，118的材料构成，可减少分布式布拉格反射器103和108中交迭层的数目。通常，通过使用上述任何例子作为材料构成，分布式布拉格反射器103中的交迭层111和112最小可减少到40对，而分布式布拉格反射器108中的交迭层117和118最小可减少到28对，从而在提高分布式布拉格反射器103和108的反射率性能的同时，也简化了分布式布拉格反射器103和108的制造过程。可相信通过使用这些化学组分，将加大交迭层111，112和117及118之间的折射率的不同，即层111和112之间的折射率有很大的不同，层117和118之间的折射率也同样，因此提高了反射率。还可相信反射率的提高使得分布式布拉格反射器103和108中的交迭层111，112，117和118的数目可减少。这样，可得到改善的性能。
作为交迭层数目减少的一个结果，VCSEL101的制造得到大大的简化，从而提高VCSEL的可制造性和降低它的成本。由于生产制造得到简化以及需要较少的几个步骤，从而减少整个的缺陷密度，同时相应地增加了可生产性并更进一步降低成本。
为简化起见和防止图的拥挤，包层区104仅以单层显示；然而，应该明白包层区104至少由两个组成部分组成，这些组成部分外延生长或淀积在分布式布拉格反射器103上。首先，在分布式布拉格反射器103上外延淀积一层任何合适的材料，例如铟铝镓磷，该层具有合适的厚度并且与分布式布拉格反射器103的掺杂相同。
作为例子，在分布式布拉格反射器103上外延淀积一层N型掺杂的铟铝镓磷(In.49AlxGa.51-xP)。通常，铟铝镓磷层的厚度由VCSEL101所要发射的光的波长决定，因而允许铟铝镓磷层有任何合适的厚度。其次，在包层区104的第一层上外延淀积一层任何合适的材料，例如有合适厚度的不掺杂的铟铝镓磷。
为简化起见，用外延生长或淀积在包层104上的单层来表示有源区106；然而，应该明白有源区106可以包括多个势垒区层，中间插入量子阱区。作为一个简单的例子，有源区106至少由两个势垒层和一个量子阱区组成，该量子阱区处在两个势垒区之间。量子阱由不掺杂的铟镓磷(InGaP)形成，势垒区由铟铝镓磷(InAlGaP)形成。一般有源区106包括三至五个量子阱以及相应的势垒区。
为简化起见和防止图的拥挤，包层区107仅以单层显示；然而，应该明白包层区107至少由两个组成部分组成，这些组成部分外延生长在有源区106上。首先，在有源区106上外延淀积一层任何合适的不掺杂包层材料，该层具有合适的厚度。其次，在此不掺杂包层材料上外延淀积一层任何合适的掺杂包层材料。
作为例子，在有源区106上外延淀积一层不掺杂的铟铝镓磷(In.49AlxGa.51-xP)层。通常，铟铝镓磷层的厚度由VCSEL101所要发射光的波长决定，因而允许铝镓砷层有任何合适的厚度。随后，在不掺杂层上淀积一掺杂的铟铝镓磷(In.49AlxGa.51-xP)层。通常掺杂层掺入p型杂质。
在分布式布拉格反射器108上淀积任何合适的导电材料形成接触区109，例如淀积铟锡氧化物，金，铂等等。应该明白，用于形成接触区109的具体材料的具体配置和构图依据所选的材料而变化。
图2是一个VCSEL101的一些不同材料组分例子的波长-反射率曲线关系的简化图解。每一条线210，220和230代表图1中分布式布拉格反射器103和108的交迭层111，112和117，118的不同材料组成。
考虑材料组分为In.49Al.1Ga.41P/In.49Al.5P的曲线210，可以看出它的带宽，即响应频率的宽度，远比曲线220或230窄，反射率也比它们低。
考虑材料组分为Al.5Ga.5As/AlAs的曲线220，可以看出它的带宽得到改善；然而，曲线220的带宽比不上曲线230显示的那样好。
考虑材料组分为In.49Al.1Ga.41P/AlAs的曲线230，可以看出它的带宽比曲线210或220的都好，这样，曲线230的材料组分可作为优选材料组分。
然而，应该明白任何曲线210，220和230都可用于反射可见光谱的光。还应该明白，尽管只提供了三个具体的例子，使用其他材料组分也是可能的。
尽管我们已经显示和描述了本发明的具体实施方式
，但本领域的专业人员可作更进一步的修改和改善。因此，我们希望大家应该明白本发明不限于所述的特定形式并且我们将在附加的权利要求中包括所有不离开本发明精神和范围的修改。
权利要求
1.一种具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其特征在于包括有第一表面和第二表面的半导体衬底；放置在半导体衬底第一表面的第一分布式布拉格反射器，第一分布式布拉格反射器包括铟铝镓磷和铝砷交迭层，具有第一杂质类型和第一浓度；放置在第一分布式布拉格反射器上的第一包层区；放置在第一包层区上的有源区；放置在有源区上的第二包层区；放置在第二包层区上的第二分布式布拉格反射器；第二分布式布拉格反射器包括铟铝镓磷和铝砷交迭层，具有第二杂质类型和第二浓度；以及一个放置在第二分布式布拉格反射器上的接触区。
2.如权利要求1所述具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其特征还在于铟铝镓磷中铟的百分比组成范围可从46％到54％，镓的百分比组成范围可从41％到61％。
3.如权利要求2所述的具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其特征还在于铟铝镓磷中铟的百分比组成范围可从44％到54％，镓的百分比组成范围可从46％到56％。
4.如权利要求3所述的具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其特征还在于铟铝镓磷中铟的百分比组成范围可从46％到54％，镓的百分比组成范围可从46％到54％。
5.如权利要求1所述的具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其特征还在于铟铝镓磷中铝的百分比组成范围可从大于0％到54％。
6.如权利要求5所述的具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其特征还在于铟铝镓磷中铝的百分比组成范围可从5％到15％。
7.如权利要求6所述的具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其特征还在于铟铝镓磷中铝的百分比组成范围可从8％到12％。
8.如权利要求1所述的具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其中的第一包层区特征还在于包括放置在第一分布式布拉格反射器上的铟铝镓磷掺杂层；放置在铟铝镓磷掺杂层上的铟铝镓磷非掺杂层。
9.如权利要求8所述的具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其中的有源区特征还在于包括放置在铟铝镓磷非掺杂层上的第一铟铝镓磷势垒层，该铟铝镓磷非掺杂层放置在第一分布式布拉格反射器上；覆盖第一非掺杂铟铝镓磷势垒层的铟铝镓磷量子阱层；放置在铟铝镓磷量子阱层上的第二铟铝镓磷势垒层。
10.一种具有可见光分布式布拉格反射器的VCSEL，其特征在于包括有第一表面和第二表面的半导体衬底；放置在半导体衬底第一表面的第一分布式布拉格反射器，第一分布式布拉格反射器包括铟铝镓磷和铟铝磷交迭层，具有第一杂质类型和第一浓度；放置在第一分布式布拉格反射器上的第一包层区；放置在第一包层区上的有源区；放置在有源区上的第二包层区；放置在第二包层区上的第二分布式布拉格反射器；第二分布式布拉格反射器包括铟铝镓磷和铟铝磷交迭层，具有第二杂质类型和第二浓度；以及放置在第二分布式布拉格反射器上的接触区。
全文摘要
本发明提供了一种垂直谐振腔表面发射激光器(101)及其制造方法。垂直谐振腔表面发射激光器(101)包括半导体衬底(102)，该衬底有一淀积第一组分布式布拉格反射器(103)的第一表面(105)，该分布式布拉格反射器(103)由铟铝镓磷和铝砷交叠层组成。在分布式布拉格反射器(103)上放置一有源区(106)，该有源区夹在包层区(104)和包层区(107)之间形成夹层结构。另外一个分布式布拉格反射器(108)放置在包层区(107)上。
文档编号H01S5/00GK1166067SQ9710310
公开日1997年11月26日 申请日期1997年2月28日 优先权日1996年3月15日
发明者江文彬, 加莫尔·拉姆达尼, 米切尔·S·勒比 申请人:摩托罗拉公司