具有多顶侧接触的垂直腔面发射激光器转让专利
申请号 : CN200580032469.2
文献号 : CN101432936B
文献日 : 2011-02-02
发明人 : 拉尔夫·H·约翰逊 , 斯科特·R·彭纳 , 罗伯特·詹姆斯·比亚德 , 科尔比·菲茨杰拉德
申请人 : 菲尼萨公司
摘要 :
本发明公开了一种具有未掺杂镜的VCSEL。在衬底上形成基本上未掺杂的底部DBR镜。在该底部DBR镜上形成周期性掺杂的第一传导层区。在光电场为约最小值处重度掺杂该第一传导层区。在第一传导层区上为包括量子阱的活性层。周期性掺杂的第二传导层区连接到该活性层。在光电场为最小值处重度掺杂该第二传导层区。在位于量子阱上方的外延结构中形成孔径。顶部镜连接到该周期性掺杂的第二传导层区。该顶部镜基本上未掺杂并且形成为台地结构。在该台地结构周围形成氧化物以在湿氧化工艺期间保护该顶部镜。
权利要求 :
1.一种包括衬底和外延结构的垂直腔面发射激光器，其中该外延结构包括：设置在该衬底上的底部分布式布拉格反射器镜，其中该底部镜未掺杂；
第一传导类型的周期性掺杂的第一传导层区，该掺杂的第一传导层区与所述底部分布式布拉格反射器镜相连接，并且在光电场为最小值处重度掺杂该掺杂的第一传导层区，以提供横向电流通路；
设置在该周期性掺杂的第一传导层区上并且包括量子阱的活性层；
第二传导类型的周期性掺杂的第二传导层区，该掺杂的第二传导层区与所述活性层相连接，并且在光电场为最小值处重度掺杂该掺杂的第二传导层区，以提供横向电流通路；
形成在该外延结构中的位于量子阱上方并且位于第二传导层区下方的孔径；
与周期性掺杂的第二传导层区相连接的顶部镜，其中该顶部镜未掺杂，并且该顶部镜形成台地结构；以及围绕所述顶部镜的保护性氧化物层，其保护顶部镜的至少一部分使其在湿氧化步骤期间不被氧化。
2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述顶部镜包括GaAs和AlGaAs的交替层。
3.根据权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，AlGaAs层的铝含量范围为70％至100％。
4.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述顶部镜包括GaAs和AlAs的交替层。
5.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器具有光学波长λ，并且其中所述保护性氧化物层的至少一部分为3λ/8厚。
6.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一传导层区和所
19 3 20 3
述第二传导层区包括在光电场的最小值处以5x10 /cm 到1x10 /cm 进行掺杂并且在远离
18 3
该光电场的最小值处以低于1x10 /cm 进行掺杂的层。
7.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还进一步包括连接到第二传导层区的腔内接触。
8.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述腔内接触包括钛-金(TiAu)。
9.根据权利要求7所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述顶部镜形成台地的至少一部分并且所述腔内接触与所述台地的侧面相连接。
10.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，还包括与所述第一传导层区相连接的第二腔内接触。
11.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，设计所述垂直腔面发射激光器以在至少1260nm的波长下工作。
12.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，进一步包括顶部接触金属层，所述顶部接触金属层向上延伸到未掺杂的顶部镜台地结构的侧面并且部分覆盖该顶部镜台地结构的顶部表面。
13.根据权利要求12所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述项部接触金属层包括一层14,000 厚的金(Au)和一层300 厚的钛(Ti)。
14.一种制造垂直腔面发射激光器的方法，包括：
在衬底上形成未掺杂的底部镜，其中形成底部镜包括形成具有不同折射率的材料的交替层；
在所述底部镜上形成第一传导层区，其中形成第一传导层区包括当使用该垂直腔面发射激光器时在光电能量位于最低值处重度掺杂该第一传导层的掺杂部分，以提供横向电流通路；
在所述第一传导层区上形成包含量子阱的活性层；
在所述活性层上形成第二传导层区，其中形成第二传导层区包括当使用该垂直腔面发射激光器时在光电能量位于最低值处重度掺杂该第二传导层的掺杂部分，以提供横向电流通路；
在所述第二传导层区上形成顶部镜，该顶部镜未掺杂并且该顶部镜形成台地结构；以及在所述台地结构周围形成氧化物层以保护该顶部镜不经过湿氧化步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述形成顶部镜包括形成AlAs和GaAs的交替层。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述在台地结构周围形成氧化物层包括使用等离子体增强型化学气相沉积而沉积该氧化物层。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还进一步包括：形成沟槽；
使用高温湿氧化物从该沟槽边缘生长孔径。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述形成沟槽包括以具有多个轮辐的马车轮结构形成沟槽。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还进一步包括：在晶片上植入离子以将垂直腔面发射激光器与其它垂直腔面发射激光器分离开；
在所述第二传导层区上形成第二腔内接触。
20.一种在用于处理晶片的处理系统中制造垂直腔面发射激光器的方法，该晶片具有包括底部镜、第一传导层、活性区、第二传导层和顶部镜的外延结构，该方法包括：执行第一蚀刻以形成台地结构，其中该台地结构包括所述顶部镜的至少一部分；
沉积光刻胶层以在所述台地结构的至少一部分的周围形成氢氟酸遮蔽掩模；
执行氢氟酸蚀刻以暴露所述第二传导层的一部分；以及在所述台地结构周围形成氧化物层以保护该顶部镜不经过湿氧化步骤。
21.一种包括衬底和外延结构的垂直腔面发射激光器，其中该外延结构包括：设置在该衬底上的底部分布式布拉格反射器镜，其中该底部镜通常未掺杂；
第一传导类型的周期性掺杂的第一传导层区，该掺杂的第一传导层区与所述底部分布式布拉格反射器镜相连接，并且在光电场为最小值处重度掺杂该掺杂的第一传导层区，以提供横向电流通路；
设置在该周期性掺杂的第一传导层区上并且包括量子阱的活性层；
第二传导类型的周期性掺杂的第二传导区，该掺杂的第二传导区与所述活性层相连接，并且在光电场为最小值处重度掺杂该掺杂的第二传导层区，以提供横向电流通路；
形成在该外延结构中的位于量子阱上方并且位于第二传导层区下方的孔径，其中，通过氧化AlGaAs层限定所述孔径；
与周期性掺杂的第二传导层区相连接的顶部镜，其中该顶部镜未掺杂并且包括铝含量范围为70％至100％的多个AlGaAs层，并且该顶部镜形成台地结构；以及围绕所述顶部镜的保护性氧化物层，其保护顶部镜的至少一部分使其在湿氧化步骤期间不被氧化。
22.根据权利要求21所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述保护性氧化物层为围绕AlGaAs层的二氧化硅层。
说明书 :
具有多顶侧接触的垂直腔面发射激光器
技术领域
[0001] 本发明通常涉及激光器，更具体地，本发明涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)。 背景技术
[0002] 近来，激光器广泛使用于多种部件中。目前最常见的一种使用是在数据网络中使用激光器。激光器用于许多光纤通信系统以在网络上传输数字数据。在一示例性结构中，可以通过数字数据调制激光器以产生光学信号，其包括代表二进制数据流的亮输出和暗输出的周期。在实际应用中，激光器输出代表二进制高的高光学输出以及代表二进制低的低功率光学输出。为了获得快速的反应时间，该激光器一直处于接通状态，但是会从高光学输出到较低光学输出发生变化。
[0003] 与诸如基于铜布线的其它类型网络相比，光学网络具有各种优点。例如，许多现存的铜布线网络对于铜布线技术来说以几乎最大可能的数据传输速率和最大可能的距离工作。另一方面，无论在数据传输速率方面还是在距离方面，许多现存的光学网络都超过了铜布线网络可能的最大值。即，与铜布线网络可能的情况相比，光学网络能够以较高的速率在更远的距离上可靠地传输数据。
[0004] 光学数据传输中使用的一种类型激光器为垂直腔面发射激光器(VCSEL)。正如其名称所暗示的，该VCSEL具有夹在两个镜堆栈之间并且由该两个镜堆栈限定的激光器腔。VCSEL通常形成在诸如砷化镓(GaAs)的半导体晶片上。该VCSEL包括形成在该半导体晶片上的底部镜。典型地，该底部镜包括多个具有交替的高低折射率的层。随着光从具有一折射率的层经过到具有另一折射率的层，该光的一部分被反射。通过使用足够数量的交替层，可以由该镜反射高百分比的光。
[0005] 在底部镜上形成包括多个量子阱的活性区。该活性区形成夹在底部镜和顶部镜之间的PN结，其中该底部镜和顶部镜具有相反的传导类型(即，p型镜 和n型镜)。当该PN结通过电流被正向偏置时，以空穴和电子形式存在的自由载流子注入到量子阱中。在足够高的偏置电流下，注入的少数载流子在量子阱中形成多数反转(即，导带中的自由载流子浓度高于价带中的电子浓度)，其产生光学增益。当活性区中的光子使电子从导带移动到价带而产生附加的光子时，发生光学增益。当光学增益等于两个镜中的损失时，发生激光器振荡。通过光子激发导带量子阱中的自由载流子电子以与价带量子阱中的自由载流子空穴复合。该过程产生受激的光子发射，即相干光。
[0006] 该活性区还可以包括使用在该活性区附近的顶部镜和/或底部镜中形成的一个或者多个氧化物层而形成的氧化物孔径。该氧化物孔径既用于形成光学腔又用于使偏置电流经过所形成的腔的中心部分。
[0007] 在活性区上形成顶部镜。顶部镜与底部镜类似，其通常包括高折射率和较低折射率交替的多个层。通常，为了增强来自VCSEL顶部的光发射，顶部镜具有很少的交替高折射率层和低折射率层的镜周期。
[0008] 作为示例，当电流通过PN结以将自由载流子注入活性区时，激光器工作。注入的自由载流子从导带量子阱到价带量子阱的复合产生开始在由所述镜限定的激光器腔中传输的光子。所述镜前后反射光子。当偏置电流足以在量子阱状态之间以该腔支持的波长产生多数反转时，在量子阱中产生光学增益。当该光学增益等于腔损失时，发生激光器振荡并且该激光器处于阈值偏置，而随着光学相干光子从VCSEL的顶部发射，该VCSEL开始“发出激光”。
[0009] VCSEL通常形成为半导体二极管。二极管由包括p型材料和n型材料的PN结形成。在该实施例中，p型材料为半导体材料，该半导体材料例如为掺杂有诸如使自由空穴或者正电荷载流子形成在该半导体材料中的碳的材料的砷化镓(GaAs)。N型材料为半导体材料，该半导体材料例如为掺杂有诸如使自由电子或者负电荷载流子形成在该半导体材料中的硅的材料的GaAs。通常，顶部镜掺杂有p型掺杂剂而底部镜掺杂有n型掺杂剂，以允许电流将少数载流子电子和空穴注入到活性区。
[0010] 在设计用于产生较长波长的激光器中，掺杂所述镜会产生各种困难。例如，随着发射光波长的增加，在掺杂的镜中自由载流子吸收也增加。自由载流子吸收为发生在除了穿过带隙的半导体中载流子(即电子和空穴)对光子的吸收。具体地说，自由载流子吸收发生在除了价带和导带之间的其它非光子产生带。
[0011] 特别地，空穴产生自由载流子吸收。在n型AlGaAs中与陷阱相关的吸收也很普遍。该增加的镜损失要求量子阱中更高的光学增益以获得阈值偏置。为了获得较高增益，在VCSEL中必须通过较高电流(即阈值电流)以使该VCSEL发出激光。较高的镜损失还降低了VCSEL的效率。这增加了内部热量并且限制了VCSEL可以输出的功率量。 [0012] 进而，在顶部镜中由吸收产生的对掺杂等级的限制降低了VCSEL的电传导性，其在VCSEL中产生电阻热量，从而限制了功率输出并且使可靠性降低。
[0013] 此外，在所述镜的层之间边界处的材料组合物的斜度(ramp)会使热阻抗和反射率恶化。如果VCSEL不能将热量从活性区中传导出，该VCSEL的工作温度会升高。如果该镜层具有恶化的反射率，则需要使用附加的层，这将导致增加阻抗并且进一步增加VCSEL热量。过量的热量会损坏VCSEL或者缩短VCSEL的使用寿命或使其性能恶化。
[0014] 总之，存在与VCSEL技术相关的各种问题，包括自由载流子吸收、串联电阻、可靠性、可制造性、热电阻、偏振稳定性、单模操作、与外部反射的光学隔离以及高温性能。 [0015] 尽管对于诸如发射850纳米(nm)波长光的VCSEL的较短波长VCSEL，当前设计是可以接受的，但是较长波长VCSEL已经很难实现。例如，在长波长VCSEL中，吸收系数更大。此外，由于较长的波长以及VCSEL层尺寸的增加，将产生增加的吸收。具体地说，VCSEL具有基于以该VCSEL设计用于发出激光的波长进行优化的层。1310nm VCSEL中的四分之一波长部分比850nm VCSEL中的四分之一波长部分长。因而，1310nm VCSEL比850nmVCSEL具有更多会吸收自由载流子的材料。
[0016] 1310nm VCSEL在电信应用中很有用。用于10G比特以太网应用的激光器的市场进入点为1310nm。然而，由于当前设计的VCSEL的热和光学特性以及上述的其它困难，1310nm VCSEL目前还不可行。
发明内容
[0017] 一种实施方式包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)。该VCSEL由沉积在衬底上的外延结构形成。在衬底上形成底部DBR镜。该底部镜基本上未掺杂。第一传导类型的周期性掺杂的第一传导层区连接到该底部DBR镜。在光电场 为约最小值处重度掺杂该掺杂的第一传导层区。在周期性掺杂的第一传导层区上为活性层。该活性层包含量子阱。第二传导类型的周期性掺杂的第二传导层区连接到该活性层。在光电场为最小值处重度掺杂该掺杂的第二传导层区。在位于量子阱上方的外延结构中形成孔径。顶部镜连接到周期性掺杂的第二传导层区。该顶部镜基本上未掺杂。可以以台地结构形成该顶部镜并且该顶部镜由保护性氧化物包围以保护其不经过湿氧化步骤。
[0018] 另一实施方式包括制造VCSEL的方法。该方法包括在衬底上形成底部镜。形成底部镜包括形成具有不同折射率材料的交替层。在该底部镜上形成第一传导层区。该方法还包括在第一传导层区上形成包含量子阱的活性层。在该活性层上形成第二传导层区。形成第二传导层区包括当使用该VCSEL时在光电能量处于约最小值处重度掺杂该第二传导层区的掺杂部分。该方法还包括在所述第二传导层上形成顶部镜，该顶部镜基本上未掺杂。 [0019] 有利的是，本发明的一些实施方式使用未掺杂的镜降低自由载流子的吸收。这使得诸如1310nm VCSEL的一定长度波长的VCSEL具有更好的性能。另外，使用周期性掺杂的实施方式降低了在该VCSEL其它部分中的自由载流子吸收，从而改善该VCSEL性能。使用通过在未掺杂镜的界面处没有等级产生的改善的热传导性，通过将顶部接触金属向上延伸到未掺杂的顶部镜台地的侧面并且部分覆盖该顶部镜台地的顶部表面，可以有利地去除来自该VCSEL的热量。当使用金作为顶部接触金属时，接触顶部镜的未掺杂部分的金层的高热传导性用于将热量从VCSEL的活性区传导出，从而改善VCSEL性能。
[0020] 本发明的这些和其它优点和特征将从下面的说明书和所附权利要求书中变得完全显而易见，或者可以通过之后实施本发明而获得。
附图说明
[0021] 为了获得本发明的上述和其它优点和特征，将参照附图中所示的具体实施方式介绍上面简述的本发明的更具体描述。应该理解，这些附图只示出了本发明的典型实施方式并且因此不限制其范围，将通过使用附图更简洁和详细地描述和解释本发明，在附图中： [0022] 图1所示为具有未掺杂的镜和腔内接触的VCSEL；
[0023] 图2A所示为通过各种平板印刷工艺处理以形成VCSEL的外延结构；
[0024] 图2B所示为当VCSEL包括半导体顶部镜时该VCSEL中的绝对电场强度与外延结构中的层数之间的关系图；
[0025] 图2C所示为当VCSEL包括半导体顶部镜时该VCSEL中的电场强度与外延结构中的层数之间的关系图；
[0026] 图3所示为深RIE蚀刻；
[0027] 图4所示为稀释HF蚀刻；
[0028] 图5所示为沟槽蚀刻；
[0029] 图6所示为金属沉积；
[0030] 图7所示为湿氧化步骤；
[0031] 图8A-8E所示为各种金属沉积步骤；以及
[0032] 图9所示为VCSEL的俯视图。
具体实施方式
[0033] 为了解决长波长VCSEL的各种问题，这里所述的实施方式在一个或者多个方面进行了优化。例如，这些实施方式可以包括最小化的距离、将载流子主要放置在光电场的零值处的周期掺杂、最小化的低迁移率材料和/或材料组合物中的陷阱，当没有处于零值时该陷阱足够长以使用低掺杂并且当其处于零值或者在零值附近时为薄的较高掺杂部分。 [0034] 一种实施方式通过减少或消除所述镜中的掺杂以最下化自由载流子吸收和与陷阱有关的吸收，改进了VCSEL在更高波长处的性能。双腔内接触可以通过传导层连接到活性区，为该活性区提供电流以产生光子。VCSEL结构的其它层也使用周期掺杂的方法，其中，掺杂剂在电场强度为最小值处高度集中，以降低自由载流子吸收。
[0035] 参照图1，一示例性实施方式包括VCSEL 100，该VCSEL 100包括顶部镜102、p型腔内接触区103、n型腔内接触区104以及底部镜108。该VCSEL由包括各种半导体材料层的外延结构形成，这将在下面进行详细描述。外延结构在VCSEL 100的形成中经过各种蚀刻、沉积和氧化物生长步骤。
[0036] VCSEL 100形成于衬底106上，在该实施例中，衬底106为砷化镓(GaAs)衬底。在其它的实施方式中，衬底106可以是其它材料，诸如其它的III V族半导体材料。 [0037] 底部镜108形成于衬底106上，底部镜108为包括高折射率材料和低折射率材料的多个交替层的分布式布拉格反射器(DBR)。在所示的实施例中，底部镜108包括砷化铝(AlAs)和GaAs的交替层。在该实施例中，底部镜108未掺杂。
[0038] 在底部镜108上形成有活性区，该活性区通过质子轰击的隔离植入物111而被横向限制，这将在下文中进行详细描述。活性区包括量子阱112。位于氧化物孔径124下方的量子阱112的中心区域也被称为光学增益区。该量子阱112的中心区域为通过活性区的电流以及注入的自由载流子，空穴和电子，引起多数反转和光学增益的位置。来自导带量子阱状态的电子和价带量子阱状态中的空穴(即，穿过带隙)引起光子发射。氧化物114在接近位于量子阱112上方的顶部传导层区123的氧化物层119(参见图2A)中生长，以提供用于横向限定激光器光学腔并将偏置电流引向VCSEL活性区的中心区域的孔径124。 [0039] 在所示的实施方式中，顶部传导层区123包括周期性掺杂的顶部部分。在该实施例中，顶部传导层区123为p型。两个或三个周期性掺杂的传导层116(参见图2A)在光电场最小值处(如图2B和图2C所示)被重度掺杂，以提供低电阻横向电流通路，用于将电流从p型腔内接触103导向位于氧化物孔径124下方的活性区的中心区域。传导层可以在距19 3 20 3
光电场最小值小于约14nm的某一距离处以介于约5×10 /cm 至1×10 /cm 被掺杂。在一实施方式中，包括两个周期性掺杂的传导层，各传导层具有约每平方500Ω的表面电阻，其使用诸如碳的受主杂质进行掺杂。使用两个传导层将产生约每平方250Ω的总的表面电阻。
光电场最小值小于约14nm的某一距离处以介于约5×10 /cm 至1×10 /cm 被掺杂。在一实施方式中，包括两个周期性掺杂的传导层，各传导层具有约每平方500Ω的表面电阻，其使用诸如碳的受主杂质进行掺杂。使用两个传导层将产生约每平方250Ω的总的表面电阻。
[0040] 如这里所描述的，本发明的另一实施方式使用在顶部传导层区123的顶部部分中的三个周期性掺杂的传导层116(图2A)。各周期性掺杂的传导层116具有约每平方500Ω的表面电阻。使用三个传导层将产生约167Ω的表面电阻。这大幅度地降低了串联电阻，从而降低了功率消耗并改进了VCSEL的性能。
[0041] 类似地掺杂下部传导层区125以方便活性区与n型腔内接触104之间的电连接。未掺杂的底部镜108可以在半绝缘衬底上生长。这进一步地降低了自由载流子吸收，并通过消除底部镜108的层之间的斜度而进一步改善了反射性和热传导性。为了与活性区的PN结的n侧相接触，下部传导层区125在底部镜 108和量子阱112之间生长。在这种情况下，在蚀刻到下部传导层区125之后形成n型腔内接触104。蚀刻到下部传导层区125包括使用在下部传导层区125之上或之中停止的蚀刻。
[0042] 还形成腔内接触103、104，该腔内接触103、104连接到粘结垫，用于将VCSEL 100连接到电流源。图9更好地示出了该粘结垫。在所示的实施例中，p型腔内接触103围绕未掺杂的顶部镜102台式结构的侧面向上延伸。这可以提供一热通路，以分散在包括量子阱112的活性区和顶部传导层区123中产生的热能。
[0043] 在该实施例中，未掺杂的顶部镜102为台式结构的一部分。在所示的实施例中，该未掺杂的顶部镜102可以是例如高折射率材料和低折射率材料的交替层。例如，顶部镜可以包括GaAs和砷铝化镓(AlGaAs)的交替层。本发明的一实施方式包括含87.5％铝的AlGaAs层。其它实施方式可以包括通常含70～100％铝的AlGaAs层。
[0044] VCSEL 100可以通过在制造VCSEL的过程中使用保护性氧化物306密封顶部镜102的工艺制成。在一实施方式中，保护性氧化物306的厚度可以为3λ/8。由于顶部镜102通过用于形成氧化物层114的高温湿氧化工序进行密封，该顶部镜102可以使用包括GaAs和AlAs的交替层的另一结构。GaAs层和AlAs层有利于实现更好的热特性。更好热特性的原因在于诸如GaAs和AlAs的二元材料比诸如AlGaAs的合金材料具有更好的热传导性。
在顶部镜102中使用二元材料还提供了在所述镜的层之间的最大折射率差，其可以利用最少的层对数实现所需的顶部镜反射率。该VCSEL 100还包括氧化物电介质120以保护部分VCSEL 100。在一示例性实施方式中，氧化物电介质120的光学厚度为VCSEL波长的λ/2，以在VCSEL 100的顶部出口表面实现最大的光学反射率。氧化物电介质120可以包括形成为初始等离子体氧化物302(图3)一部分的部分。
在顶部镜102中使用二元材料还提供了在所述镜的层之间的最大折射率差，其可以利用最少的层对数实现所需的顶部镜反射率。该VCSEL 100还包括氧化物电介质120以保护部分VCSEL 100。在一示例性实施方式中，氧化物电介质120的光学厚度为VCSEL波长的λ/2，以在VCSEL 100的顶部出口表面实现最大的光学反射率。氧化物电介质120可以包括形成为初始等离子体氧化物302(图3)一部分的部分。
[0045] 在本发明的实施方式范围内，可以对该VCSEL 100进行各种修改。例如，在一实施方式中，传导层区123、125中的传导层之一可以由隧道结替换。隧道结通常包括高传导的二极管。该高传导的二极管包括薄的GaAs重度掺杂的p型层和薄的n型GaAs重度掺杂的层。隧道结层被充分地重度掺杂以使所形成的二极管通过隧道效应在零偏压处和零偏压附近传导。通过重度掺杂的n 型层提供低的横向表面电阻，其与重度掺杂的p型层相比具有更高的载流子迁移率。例如，参照顶部传导层区123，p型腔内接触103与隧道二极管的重度掺杂的n型层通过一合金的Au:Ge接触层相连接，该合金的Au:Ge接触层位于形成腔内粘结垫的顶部金属层下方。重度掺杂的n型和p型层位于光电场的最小值处或其附近以最小化自由载流子吸收。尽管单独的隧道结不具有足够的电导率以传送活性区所需的适当电流，但是将大面积的隧道结与传导层相结合可以提供足够量的传导。这允许在VCSEL 100中使用非优选的隧道结。
[0046] 在VCSEL结构中难以形成超高传导的隧道结。该困难的部分原因在于形成隧道结之后形成外延结构的附加层时所使用的高温。这些高温引起隧道结中重度掺杂的层中所使用的高浓度掺杂剂扩散。该扩散恶化了隧道结特性。然而，结合传导层使用非优化的隧道结可以提供适当的用于将电流导向活性区的电流通路。此外，如果顶部镜由于不足掺杂和传导而可能在低温下进行沉积，则可以使用重度掺杂的优化隧道结。该顶部镜可以为简单的电介质堆。
[0047] 尽管所描述的外延结构105的各种层形成在其它的层上，但是这并不要求这些层直接形成在其它层上。相反地，其他的中间层可以存在于一层和形成该层的另一层之间。 [0048] 外延结构
[0049] 如图2A、2B和2C所示，一实施方式通过外延结构101制造，以上说明了该外延结构101的特征，这里将对其进行详细说明。具体参考图2A，其示出了外延结构101的截面示意图。虽然外延结构101通常由下至上地形成于衬底上，但在这里为了清楚，从上到下地说明该外延结构101。
[0050] 顶部镜102
[0051] 外延结构101包括顶部镜102。顶部镜可以是未掺杂的AlGaAs半导体镜，也可以是电介质镜。图2B和下面的表1分别示出了对于未掺杂的AlGaAs顶部镜的外延结构各部分中的持续电场以及外延层细节。
[0052]
[0053]
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] 图2C和下面的表2分别示出了对于介电层顶部镜的外延结构的各部分中的持续电场和外延层细节。制造顶部镜102以具有低损失特性。具体地，通过在顶部镜102中不包括掺杂剂或者通过限制顶部镜102中的掺杂量，能够最小化顶部镜102结构中自由载流子的吸收。
[0058]
[0059]
[0060]
[0061]
[0062] 当顶部镜102为AlGaAs半导体镜时，GaAs的广泛应用可以用于将热量从包括量子阱112的活性区中传导出，从而增强可靠性并且最大化峰值功率输出。顶部镜102的下面为相位匹配层150。相位匹配层150匹配到顶部镜102的相位。
[0063] 如在下面描述底部镜108中所述，可以进一步设计顶部镜102以减小应变。 [0064] 蚀刻终止层122
[0065] 相位匹配层150的下面为蚀刻终止层122。蚀刻终止层122用作足够厚的层，从而利用光学监控或定时蚀刻可以在该层中可靠地终止活性离子蚀刻。然后，在外延结构101的光刻处理期间，诸如氢氟酸(HF)的选择性蚀刻剂蚀刻122的残留物而不蚀刻顶部传导层116中的低铝材料。蚀刻终止层由高铝材料构成。低铝材料用于蚀刻终止层下面紧随的传导层116，从而选择性蚀刻到 顶部传导层116能够容易接触到传导层116。隐性层(多重半波)用于蚀刻终止层122。特别地，蚀刻终止层122的厚度为VCSEL 100发光的波长的一半的倍数。为了对单模行为给出足够的蚀刻公差并且给出适合的模式扩展，半波的优选数目为一个波。
[0066] 顶部传导层116
[0067] 在蚀刻终止层122下面为通过顶部间隔物层152相互分开的三层顶部传导层116。如图图2B和2C所示，顶部传导层116为周期性掺杂，使得高掺杂发生在持续电场的零值处。在本实施例中，顶部传导层116为p侧接触提供导电通路。在美国专利6,064,683中描述了周期掺杂和p腔内接触，这里引入其内容作为参考。
[0068] 在顶部传导层116中使用少量的Al。这使得两性掺杂剂碳位于As位置的上面，使该碳成为受主。不使用Al而在高掺杂等级处确保碳位于As位置的上面并在随后的高温生长过程中保持将非常困难。此外，为了实现高掺杂等级，周期性重复的德耳塔掺杂是有利的，在该周期内表面上富含第III族。常规的可用于掺杂的碳源为CBr4、CCl4，并且通常为混合的化合物CBrxCl4-x，其中x为0～4的整数。在MBE中，对具有更多Br的化合物其结合效率较高，而对具有较多Cl的化合物其结合效率较低。这样，德耳塔掺杂对具有更多Cl的化合物尤其有用。然而，根据系统的特殊性，使用没有有效掺杂的化合物控制低掺杂区的20 3
方法通常更方便。一种实施方式允许在传导层中获得接近1×10 /cm 的掺杂，而允许在其
17 3 17 3
它层中或者约3×10 /cm 并且优选为约1×10 /cm 的掺杂。氧化物上方的顶部传导层的最终表面电阻应为250Ω/平方＞Rs＞100Ω/平方。这允许电阻根据其它参数为50Ω和
150Ω之间并且考虑到基础模式的充分提升而不会有过量的自由载流子吸收。为了避免自由载流子吸收，顶部传导层116的厚度应为约25nm。在任何情况下，顶部传导层的厚度应小于40nm。优选地，顶部传导层116具有小于220Ω/平方且大于100Ω/平方的组合表面电阻。优选地，该表面电阻为约180Ω/平方。在本实施例中使用了三层顶部传导层116。 [0069] 氧化物层119
方法通常更方便。一种实施方式允许在传导层中获得接近1×10 /cm 的掺杂，而允许在其
17 3 17 3
它层中或者约3×10 /cm 并且优选为约1×10 /cm 的掺杂。氧化物上方的顶部传导层的最终表面电阻应为250Ω/平方＞Rs＞100Ω/平方。这允许电阻根据其它参数为50Ω和
150Ω之间并且考虑到基础模式的充分提升而不会有过量的自由载流子吸收。为了避免自由载流子吸收，顶部传导层116的厚度应为约25nm。在任何情况下，顶部传导层的厚度应小于40nm。优选地，顶部传导层116具有小于220Ω/平方且大于100Ω/平方的组合表面电阻。优选地，该表面电阻为约180Ω/平方。在本实施例中使用了三层顶部传导层116。 [0069] 氧化物层119
[0070] 在传导层116下方为通过斜坡层154包围的氧化物层119。氧化物层119 为由可在平版印刷工艺期间被氧化的材料制成的层，从而产生如图1中所示的孔径124的氧化物孔径。氧化物层119可由附在这里的表1中所示的数字合金制成。关于AlAs中心厚度层的对称结构方便在轻微降低散射的上升沿上形成更尖的点。
[0071] 对于长波长VCSEL，与可靠性相关的一个问题涉及到氧化物厚度。为了说明，从处理方面考虑，氧化物层119应当被设计为尽可能的薄，但是为了在不发生错误的情况下承受明显的电学过应变，该氧化物层119又要足够厚。太厚的氧化物会产生错位并且会在老化期间产生额外的氧化物。如果氧化物层太薄，则其不能很好地承受电学过应变并且会以降低的速率氧化。如图2B和2C所示，一个设计目标是在一个零值处设置合成的斜坡154、氧化物层119和顶部传导层116。为了实现该目标，如表1所示，氧化物层119的厚度应该低于
[0072] 如上所述，在一个零值处设置合成的斜坡154、氧化物层119和传导层116。这最小化了距离、最大化了具有高迁移率的部分并且对于大多数掺杂使用了光学场的零值(如图2B和2C所示)。这有助于在最小化电阻的情况下降低自由载流子吸收和光学损失。 [0073] 斜坡层154
[0074] Al斜坡层154紧邻氧化物层119。这最小化了所需的较低空穴迁移率AlGaAs的厚度并且最大化了较高迁移率GaAs的使用。如图2B和2C所示，对于氧化物层119、斜坡层154和一个传导层116使用了相同的零值。这最小化了垂直传导距离。将斜坡层154紧邻氧化物层119的两侧放置能够使氧化物层119被很好地限定，从而垂直氧化不会使下面要描述的从氧化物层119生长的氧化物比需要的更厚。为了更好的可靠性，将氧化物层119、斜坡层154和传导层116的组合放置在位于量子阱112上方的大约第二零值处。 [0075] 表1还示出了弥补AL合成的斜坡层154的离散层和数字合金。在一实施方式中，对于三个Ga源和三个Al源的三种物质的通量比为1∶2∶4。也可以使用其它组合和组分。例如，Ga和Al的各自两种就足够了。当在MBE工艺期间形成斜坡层154时，对于最高通量源来说，合适的生长速率为1ml/sec。这允许在合成物中足够精细的步骤以最小化串联电阻。诸如Colorado大学的 Optoelectronics Computing Systems Center的SimWindows以及纽约RSoftDdesign Group of Ossining的Boulder或者RSoft Lasermod的仿真器有助于优化该合成和掺杂概要。
[0076] 量子阱112
[0077] 所示的量子阱112可以是具有可选的锑(Sb)的InGaAsN量子阱。一个可靠性问题源于量子阱中的高应力。在具有由大致In0.35Ga0.65As0.99N0.01形成的1310nmVCSEL中，量子阱中的应力高得会导致形成与错位相关的暗区。因而，在本实施方式中，为了获得相同的波长，将氮增加到约2％而将铟降低到约28％。这产生大致为In0.28Ga0.74As0.98N0.02的量子阱。这降低了对于某点的应力，从而阻碍了与错位相关的暗区的形成。不幸的是，这是需要付出代价的。导带中状态的有效密度增加了产生较高透明电流的几率。特别地，电致发光效率还明显降低，这明显表示更低的有效发光和更差的材料质量。为了应对该效果，以几乎一对一的比例用Sb代替一些In。
[0078] Sb用作表面活性剂，以保持表面平整并且防止三维生长。这允许更高的约80℃的生长温度，其比仅使用In更热，并且允许获得类似于以较低氮等级获得的电致发光信号，其表现出更高的发光效率。对于该实施方式，优选的组分为具有允许的显著变化的In0.26Ga0.74As0.96Sb0.0018N0.02数量级。类似的过程在期刊Crystal Growth 251(2003)360-366中由Voltz，k等人撰写的“The role ofSb in the MBE growth of(GaIn)(NAsSb)”一文中有所描述，在此引用其内容作为参考。该技术的问题在于降低了导带阱深度并且增加了价带阱深度。使用低Sb组分避免了这一问题。此外，用于电学限制的增加的AlGaAs可以接近于活性区放置以增强电学限制。进而，由于状态密度较高，并且为了进一步降低与应变有关的可靠性问题，可以将量子阱的厚度降低为约 为了补偿降低的增益距离，相对于三个量子阱112，可以使用四个量子阱112。
[0079] 为了获得优化的发光效率和窄的电致发光线宽，应该避免三维生长。如果诸如使用移植增强的外延生长或者以低V/III的很低生长速率获得平的生长界面，则可以明显降低电致发光的线宽。在所附的表1中示出，在量子阱生长之前或者之间执行移植增强的外延生长。关于移植增强的外延生长在下面的专利申请中有更详细的介绍：2004年8月31日递交的美国专利申请No.10/931, 194以及1998年12月12日递交的申请No.09/217,223、2001年12月20日递交的申请No.10/026,016、2001年12月27日递交的申请No.10/026,044和2001年12月27日递交的申请No.10/026,020等相关申请，在此结合其全部内容作为参考。部分遮蔽层或者整个遮蔽层也可以包含氮以用于应变补偿。该遮蔽层还可以包含Sb以增强平整度。
[0080] 效果的组合限制了高温性能。高温时，载流子对量子阱112的限制变得勉强。很好的热量设计有助于去除热量并且最小化串联电阻以避免过量的热量产生。此外，量子阱112的深度对于降低载流子经过量子阱112的泄漏很重要。对于包含InGaAsN(Sb)的量子阱112，氮明显增强了导带量子阱的深度，这降低了电子泄漏。另一方面，Sb增加了价带阱而降低了导带阱。此外，如表1和表2所示，掺杂峰值和额外的AlGaAs限制层可以用于增强限制。
[0081] 下部传导层117
[0082] 图1还示出了位于量子阱112下面的下部传导层区125中的下部传导层117(在该实施例中为n型)。由于具有高掺杂的难度以及通过较高电子迁移率变得可能，下部传导层117与顶部传导层116相比更厚并且更加轻度掺杂。表1示出了图1所示结构的特性。该专门设计用于1280nmVCSEL。
[0083] 下部镜
[0084] 与陷阱相关的吸收发生在n掺杂的AlGaAs中，诸如Si掺杂的AlGaAs中。未掺杂的下部镜的使用解决了该问题。
[0085] 由于不与GaAs精确地晶格匹配的很厚的外延生长，会在晶片中发生高度弯曲。例如，AlAs比GaAs具有稍微大的晶格常数， 对 当晶片变薄时该弯曲成为一种问题，会产生大量泄漏。为了降低弯曲，可以将下部镜108设计为非对称形式，从而在各对交替层中使用GaAs的高于四分之一波并且在各对交替层中使用AlAs的低于四分之一波。所附的表1示出了该设计。当层厚不再为四分之一波时，优选的镜设计不再需要精确地由半波对形成，而是对于发出激光波长处的最大反射率进行优化。尽管可以完全使用该理念设计下部镜108，但是由于AlAs的热传导性高于GaAs并且由于一对四分之一波的反射率高于非四分之一波对的反射率，所以希望在活性区附近使用AlAs 和GaAs的正常四分之一波。为了避免由于不平整蚀刻引起的AlAs层的潜在氧化，在下部传导层附近，使用诸如Al0.875Ga0.125As的较低组合物AlGaAs层代替AlAs是有利的。在所附的表1中示出了该减少下部镜应变的结构。
[0086] 外延结构中的持续电场
[0087] 现在参照图2B和图2C，其示出了光电场与外延结构中的层数之间的关系曲线。图2B和2C用于表示在外延结构101中重浓度掺杂掺杂剂或者避免掺杂剂降低自由载流子吸收。图2B和2C中示出的电场为绝对(正)值，而在实际中，在外延结构的不同位置，电场可以为正也可以为负。然而，由于自由载流子吸收为一直为正的电场平方的函数，故设计外延结构时电场的绝对值很有用。
[0088] 图2B和2C示出了顶部镜102。不掺杂顶部镜102以降低自由载流子吸收。自由载流子吸收为掺杂等级的函数。因而，通过在顶部镜102中不包括任何掺杂剂，可以降低或者避免顶部镜102中的自由载流子吸收。
[0089] 顶部镜102下方为蚀刻终止层122。蚀刻终止层122用于制造VCSEL 100(图1)。这将结合下面的图3至图8E而进行更详细的解释。蚀刻终止层122可以用于确保进行了蚀刻以暴露传导层区123的表面并且该蚀刻不去除位于传导层116表面上的薄的重度掺杂层。这确保了将p型腔内接触103正确地粘接到传导层116以形成低阻欧姆接触。蚀刻终止层122可以未掺杂。该实施例中的蚀刻终止层122为具有60％和87.5％之间的铝组合物的生长的AlGaAs层。
[0090] 周期性掺杂包含当VCSEL 100操作时在电场处于最大值处重度掺杂某层。这有助于降低层中的自由载流子吸收。在顶部传导层区123中的周期性掺杂的传导层116为GaAs。蚀刻AlGaAs而不蚀刻GaAs的终止蚀刻用于暴露传导层116之一的表面。终止蚀刻的蚀刻速率为铝组合物的函数，可以对其进行优化以产生优化的工艺控制。周期性掺杂方法在授予给Ralph Johnson的发明名称为“Bandgap Isolated Light Emitter”的美国专利No.6,064,683中有所描述，在此引用其内容作为参考。
[0091] 在蚀刻终止层122的下面为三层传导层116。传导层116也可以使用周期性掺杂以重度掺杂电场为最小值处的传导层116的部分，同时在电场不为零时 控制掺杂到较低杂质浓度。
[0092] 在一实施方式中，具有96％铝的AlGaAs层224在高温湿氧化期间形成氧化物层114。该高铝AlGaAs层224通过数字合金生长形成。在本实施方式中，数字合金生长包括
0.87nm的87.5％AlGaAs和1.86nm的AlAs的10个层对以形成27.3nm的层厚，在AlGaAs中具有96％的Al和4％的Ga的平均组分。前5个层对开始于AlGaAs并且结束于AlAs。
后5个层对开始于AlAs并且结束于AlGaAs。这给出了厚度为3.72nm的AlAs的中心厚度。
AlGaAs的氧化速率为Al组分的快速增长函数。因而，中心AlAs层在氧化物前面上提供了尖点，其对于在氧化物孔径处限制光学散射损失有利并且改善了VCSEL性能。 [0093] 外延结构处理以生产VCSEL
0.87nm的87.5％AlGaAs和1.86nm的AlAs的10个层对以形成27.3nm的层厚，在AlGaAs中具有96％的Al和4％的Ga的平均组分。前5个层对开始于AlGaAs并且结束于AlAs。
后5个层对开始于AlAs并且结束于AlGaAs。这给出了厚度为3.72nm的AlAs的中心厚度。
AlGaAs的氧化速率为Al组分的快速增长函数。因而，中心AlAs层在氧化物前面上提供了尖点，其对于在氧化物孔径处限制光学散射损失有利并且改善了VCSEL性能。 [0093] 外延结构处理以生产VCSEL
[0094] 现在描述用于制造VCSEL的各种步骤和工艺。现在参照图3至图8E，其示出了用于在GaAs晶片上制造VCSEL 100(图1)的平板印刷步骤中使用的各种掩模。对外延结构执行平板印刷步骤以形成诸如图1所示的VCSEL 100结构的VCSEL结构。在应用所示的各种平板印刷掩模之前，在外延结构101上沉积初始等离子体氧化物302。在该实施例中，等离子体氧化物沉积为大致 的SiO2。 为1310nm激光器中的λ/8波长。
[0095] 如图3所示，去除初始的λ/8氧化物302的一部分。用于去除初始氧化物302一部分的遮蔽层也可以用于形成用于后续掩模对准的基准掩模。此外，初始等离子体氧化物302可以用于保护区域免受下述的深蚀刻。初始λ/8氧化物302的剩余部分位于VCSEL
100(图1)的孔径124上方。
100(图1)的孔径124上方。
[0096] 图3还示出了使用具有感应耦合等离子体的基于Cl的系统的深反应离子蚀刻(ICP-RIE)。利用平板印刷术，使用RIE蚀刻掩模将光刻胶304构图于VCSEL上。设计该RIE蚀刻掩模以覆盖初始氧化物302的剩余部分，从而保护剩余的SiO2。在应用RIE蚀刻掩模之后，执行反应离子蚀刻以蚀刻至蚀刻终止层122(图2A)。蚀刻至蚀刻终止层122可以包括蚀刻进蚀刻终止层122。然而，应该注意，保持最小限度地过蚀刻进入蚀刻终止层122。在一实施方式中，如表1所示，蚀刻至蚀刻终止层蚀刻进入87.5％的层。
[0097] 现在参照图4，进行稀释HF蚀刻以经由蚀刻终止层122蚀刻至顶部传导层116。在该实施例中，在HF遮蔽掩模中形成光刻胶304以保护包括顶部镜 102的台地的侧壁。稀释HF为300份去离子水对1份氢氟酸。也可以使用其它溶液比。需要执行该稀释HF蚀刻以使顶部镜102不底切。如图4所示，会剩余少量的材料碎片(shelf)。
[0098] 然后去除通过RIE蚀刻掩模剩余的光刻胶304。现在参照图5，使用等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)均匀地沉积另一SiO2的3λ/8波长层，即保护性氧化物306，从而形成具有3λ/8波长SiO2的VCSEL 100。先前已经沉积了SiO2并且还没有被蚀刻掉的VCSEL 100的其它部分，诸如初始氧化物302存在的部分，现在具有λ/2波长SiO2。具体地说，VCSEL孔径124(图1)现在具有位于其上的λ/2波长SiO2。由于3λ/8波长保护性氧化物306此时围绕未掺杂的顶部镜102(图1)，该顶部镜102(图1)可以是AlAs和GaAs的交替层。SiO2保护否则容易受到损坏的AlAs不经过将完全氧化该AlAs的湿氧化步骤。在一实施方式中，由于AlAs和GaAs的二元组合物能够提供更大的折射率差和更高的热传导性，使用该二元组合物。尽管该实施例示出了使用3λ/8保护性氧化物306，但是该保护性氧化物306可以是(1/2n-1/8)λ的多个厚度，其中n为整数。
[0099] 继续参照图5，沟槽光掩模用于要进行的等离子体蚀刻和附加的RIE蚀刻以将沟槽中的材料去除到位于下部(该实施例中为n型)传导层区125的深度。在该实施例中，沟槽光掩模356形成为具有5个轮辐的马车轮结构沟槽。马车轮结构沟槽包括交替的蚀刻和未蚀刻的部分。轮辐结构提供了机械稳定性。当p型腔内接触103(图1)完全围绕该沟槽形成时还能够进一步提供机械稳定性，这将在下面描述。尽管这里示出了单一轮辐锁眼设计实施例，但是应用理解，其它实施方式可以包括轮辐车轮和其它设计。此外，可以以椭圆或者其它非对称图案形成沟槽以方便偏振控制，这将在下面描述。
[0100] 现在参照图6，其示出了各种掩模和其它细节。图6所示为例如形成n型腔内接触金属104(图1)。使用n型金属掩模以正确地形成用于金属提升步骤的光刻胶层308。在形成有VCSEL 100的晶片上沉积约 的AuGe。在光刻胶308上以及暴露的下部传导层区125上沉积AuGe层310。如图7所示，去除光刻胶层308并且保留n型腔内接触104。 [0101] 现在参照图7，将执行湿氧化步骤以形成深度为约12μm的氧化物114。在高温下，从沟槽的边缘生长湿铝氧化物114以形成用于VCSEL的孔径124。
[0102] 使用步进隔离图案掩模以通过使用高能质子轰击限定将与其它VCSEL分离开的VCSEL 100的区域。进而，步进隔离图案掩模限定将保持不传导的VCSEL 100的区域，从而防止电流流动并且在该区域中发出激光。这有助于限定VCSEL 100中的活性区。然后，将质子植入通过步进隔离图案掩模限定的区域中。质子产生的损坏使得该材料不传导并且实现了上述的隔离。这样形成了隔离植入111(图1)。在一实施方式中，质子植入剂量为：在15 15 14
角度为7°的情况下，50keV时为2x10 、100keV时为2x10 、161keV时为7x10 、270keV时
14 14
为7x10 、380keV时为7x10 。
角度为7°的情况下，50keV时为2x10 、100keV时为2x10 、161keV时为7x10 、270keV时
14 14
为7x10 、380keV时为7x10 。
[0103] 隔离植入可以用于最小化电容。该隔离植入还可以进一步用于隔离轮辐，该轮辐用于支撑用于接触的金属。
[0104] 然后，去除通过步进隔离图案掩模剩余的光刻胶。现在参照图8A，金属接触掩模限定了将在VCSEL上沉积顶部金属接触(p型腔内接触103)的区域。该金属接触掩模使光刻胶位于在VCSEL上不希望存在金属的区域上。使用p接触切割以暴露顶部金属层116。该p接触切割可以例如是等离子体蚀刻。然后，在整个晶片上沉积金属。之后执行提升工艺，其使光刻胶以及该光刻胶上的任何金属从VCSEL上去除。沉积在VCSEL上的剩余金属成为p型腔内接触103。如上所述，p型腔内接触103不仅对将电流路由活性区提供了电接触，而且在本实施例中，该腔内接触103还包括提供吸热功能的p-金属可选层312以将热量从活性区吸走并且趋散VCSEL的未掺杂的顶部镜台地的顶部和侧面处的热量。在该实施例中，对于位于台地结构侧壁上的接触和可选金属，该金属可以是 厚的Ti/Au。该Ti用作紧跟厚的Au层的粘贴层。
[0105] 图8B-8E示出了用于金属沉积以形成腔内接触103和/或104的各种其它选项。例如，图8B示出了p型腔内接触103不向上延伸至台地结构侧壁的示例性实施方式。 [0106] 图8C-8E示出了使用与半导体顶部镜102(诸如所附的表1中阐述的)相对的电介质顶部镜(诸如所附的表2中阐述的)的实施例。图8C示出了包括AuGe n接触金属层
310、p接触金属层802和n及p金属接触/互连层104、103的实施例。该n及p金属接触/互连层104、103可以用于连接到粘接垫902、904(图9)以提供到VCSEL 100的连接点。
图8C还示出了诸如BCB的中间等级电介质804，其可以用于将金属接触/互连层104、103分隔开。
310、p接触金属层802和n及p金属接触/互连层104、103的实施例。该n及p金属接触/互连层104、103可以用于连接到粘接垫902、904(图9)以提供到VCSEL 100的连接点。
图8C还示出了诸如BCB的中间等级电介质804，其可以用于将金属接触/互连层104、103分隔开。
[0107] 图8D示出了类似于图8C的实施例，其结合有AuGe n接触金属层310、p接触金属层802和n及p金属接触/互连层104、103，其中n及p金属接触/互连层104、103可以用于连接到粘接垫902、904(图9)以提供到VCSEL 100的连接点。图8D还示出了中间等级电介质804。
[0108] 图8E也类似于图8D，除了图8E示出了使用省略了p接触金属层802而使用p金属接触-互连层103的电介质镜的VCSEL。
[0109] 为了参照，图9示出了VCSEL 100的完整俯视图。具体地，所示的n型接触104和p型接触103连接到先前描述的VCSEL结构的其它部分。图9示出了同心的C图案906、908。该同心的C图案906、908允许在不短路而且没有中间等级电介质的情况下接触到VCSEL
100。然而，使用C图案允许使用用于偏振控制的电流非对称。进而，通过在内部C 908上使用C图案，可以通过允许使用提升平板印刷步骤而简化处理。
100。然而，使用C图案允许使用用于偏振控制的电流非对称。进而，通过在内部C 908上使用C图案，可以通过允许使用提升平板印刷步骤而简化处理。
[0110] 偏振控制
[0111] 有多种方法在VCSEL中引入(pin)偏振，包括各种光栅、非对称电流注入方案、几何非对称的机械应变以及各种非圆形孔径几何体。所有这些都可以用于引入偏振。另外，如下所述，离轴生长VCSEL可以用于偏振控制。此外，使用各种非对称组合很重要，否则所述效果之间的竞争将产生偏振跳跃。
[0112] 在一实施方式中，可以通过使用非晶硅光栅实现偏振。非晶硅光栅通过对于不同的光偏振表现出不同的光学厚度而工作。通过使用nλ/2光学波长的材料可以极大地反射光(约30％)，其中n为整数。另外，当材料具有nλ/4光学波长时光不会极大地被反射，其中n为奇数。高反射率降低了发出激光所需的阈值电流。因而，如果要进行的偏振发现非晶硅光栅为λ/2的整数倍，并且要禁止的偏振发现非晶硅光栅为λ/4的奇数倍，则要进行的偏振将具有较低的阈值电流，而要禁止的偏振将具有较高的阈值电流。如果要进行的偏振与要禁止的偏振之间的阈值差足够大，则阈值电流可以用于偏置VCSEL，从而发出要进行的偏振而没有足够量的电流允许要禁止的偏振发出。因此，可以制造VCSEL表面上的非晶硅光栅，从而通过使用非晶硅光栅而进行由VCSEL中非对称产生的主要偏振并且通过使用该非晶硅光栅禁止或者完全阻挡辅助偏振。用于偏振控制的非晶硅光栅包括多个突起。该突起可以由SiO2或者SiN组成。
[0113] 为了形成光栅，将非晶硅沉积在VCSEL表面上。然后使用电子束平板印刷术蚀刻该非晶硅。电子束平板印刷术包括在要被蚀刻的表面上沉积光刻胶层。然后使用电子束曝光该光刻胶。可以以传统电视中控制电子的相同方式控制该电子束。该电子束用于构图将被蚀刻而留下突起的区域。然后，使用反应离子蚀刻(RIE)或者其它合适的蚀刻对该非晶硅的部分进行蚀刻以产生光栅。
[0114] 由VCSEL发出的光的主要偏振依赖于各种因素。此外，很难精确计算或者预测引入VCSEL偏振的周期、间距和栅格取向。因而，测试周期、间距和取向组合的分类将很有用，从而确定与具体的VCSEL设计一起使用的优化的非晶硅栅格。
[0115] 也可以使用其它栅格。例如，可以使用位于二氧化硅上的硅氮化物栅格。在该实施例中，使用栅格图案对该硅氮化物进行构图。使用该栅格图案对二氧化硅进行选择性构图或者局部构图。
[0116] 通过制造包括栅格设计的各种组合的一个或者多个晶片，可以实现优化组合。 [0117] 尽管这里对于偏振控制描述了栅格，但是应用注意到，本发明的实施方式还可以实施为双折射膜来代替栅格。与非晶硅栅格类似，该双折射膜根据通过其的光偏振而具有不同的光学厚度。因而，如果设计该膜使得要进行的偏振发现双折射膜为λ/2的整数倍并且要禁止的偏振发现双折射膜为λ/4的奇数倍，则要进行的偏振将具有较低的阈值电流，而要禁止的偏振将具有较高的阈值电流。除了非晶硅栅格，可以使用例如二氧化硅层上的硅氮化物的栅格。
[0118] 可以与栅格结合使用固有的或者故意的孔径非对称结构来改善VCSEL性能从而引入偏振。例如，可以使用各种沟槽设计以形成椭圆或者其它形状的孔径。 [0119] 也可以与栅格和双折射膜结合使用其它的非对称结构。可以用于控制偏振的一种非对称结构涉及VCSEL中的电流注入。电流注入是指使经过VCSEL的电流激励该VCSEL活性区中的光子发射。如图9所示并且如先前讨论的，通过形成为C图案的内C 908，可以实施用于偏振控制的电流非对称结构。
[0120] 可以通过以离轴取向制造VCSEL而实现另一类型的非对称结构。为了在离轴取向中形成量子阱，如上所述，使用诸如Sb的表面活性剂。在该实施例中，该制造为偏离100取向。在一实施方式中，以311取向形成量子阱，其偏 离100取向29.5°。使用Sb和移植增强型外延生长，抑制否则将正常存在的小种子，从而使其足够小以允许离轴取向结构。该移植增强型外延生长在下面的专利申请中有详细描述：2004年8月31日递交的美国专利申请No.10/931,194以及1998年12月12日递交的申请No.09/217,223、2001年12月20日递交的申请No.10/026,016、2001年12月27日递交的申请No.10/026,044和2001年12月27日递交的申请No.10/026,020等相关申请，在此结合其全部内容作为参考。 [0121] 通过在离轴取向中形成量子阱，可以引入偏振。这允许通过使用经济的四分之一波板实现光学隔离。来自VCSEL的经过四分之一波板并且通过该四分之一波板反射的偏振光与由该VCSEL发出的光正交。这样，VCSEL将对该反射光不敏感。因此，对于要求偏振稳定性的应用，可以制造长波长VCSEL。
[0122] 在结合有光二极管设备的VCSEL中，也可以使用热非对称结构方便在一个偏振中发射而在正交偏振中禁止发射。这可以通过在该设备上形成金属接触实现，从而使得热量从该设备的一些部件比从该设备的其它部件更容易地扩散出去。这对于光的一个偏振会比对于正交偏振产生更好的VCSEL性能。
[0123] 热量性能
[0124] 从设备中去除热量对于最大化峰值功率并且增强可靠性很重要。方便该去除的外延结构的一些方案为在接近量子阱112处广泛使用高热传递的二元化合物。这在表1和图2A的结构中有所示出，其中在传导层117下方和间隔物156上方并且临近于量子阱112处广泛使用GaAs，其正好位于具有传导层的氧化物上方并且位于镜102和104中。此外，下部镜104广泛使用AlAs，其比GaAs具有更好的热传导性。尽管AlAs广泛使用于下部镜104中，但是其不必位于下部传导层117的正下方。在下部传导层117附近使用下部铝组合物以方便工艺公差。上部镜102也可以是电介质镜，在这种情况下，其热传导性很差并且在热扩散方面没有贡献。
[0125] 各种效果的组合限制了高温性能。在高温时，载流子对量子阱的限制变为勉强。这当然通过良好的热设计可以进行改善，以去除热量并且最小化串联电阻从而避免过量的热量产生。此外，量子阱112的深度对于减小经过该量子阱的载流子泄漏很重要。对于含有InGaAs(Sb)的量子阱，氮明显增强了导带 量子阱的深度，其降低了电子泄漏。另一方面，Sb增加了价带阱但是降低了导带阱。使用这里提供的量子阱组合物可以实现合理的均衡。此外，如表1和表2所示，掺杂峰值以及额外的AlGaAs限制层可以用于增强限制。 [0126] 单模性能
[0127] VCSEL 100保持单模的能力对于许多应用很重要。对于增强保持单模的能力，VCSEL设计存在几个方面。当通过腔和增益轮廓支持较高阶次的模式时，这些方面可以存在。为了避免较高阶次的模式，设计该腔以不支持较高阶次的模式并且设计该增益轮廓以充分地提升基本模式。横向光学限制的很大一部分来自于热量透镜化，其为结合有自由载流子吸收的电阻热量以及非辐射复合的直接结果。通过良好的热设计、低电阻和低自由载流子吸收可以最小化这种情况。降低支持较高阶次模式的腔能力的另一方式是使其横向变小并且垂直方向变高。大的垂直距离允许在较低热量透镜化(远离量子阱112)的区域处进行模式扩展。通过氧化物孔径124(图1)可以散射较大尺寸的较高阶次的模式，而不散射更容易导向的基本模式。为了通过氧化物孔径124产生明显的散射，将其放置为偏离零值很有利。当其位于零值中心时具有最小的效果。当其位于场的峰值中心时，其本身提供过多的导向。在一实施方式中，可以将氧化物孔径以1/8波的数量级设置在所述零值以下的任何位置。
[0128] 在不偏离本发明的精神或者基本特征的情况下，还可以以其它具体的形式实施本发明。上述实施方式无论如何只是示例性的而不是限制性的。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求书而不是由前面的说明书限定。在本发明的的权利要求书及其等效物内的所有变化都包含在本发明要求保护的范围之内。