VCSEL是光纤光数据通信系统的重要光源。在这些系统中已使用 的多数器件发射的光在830至860nm波长范围中。然而，已经制造出 的VCSEL说明了等于以下波长或在以下波长值附近的发射：660nm、 780nm、850nm、980nm、1310nm和1550nm。
在重视发射光能够被人眼看见的应用中，对红光发射VCSEL (～660nm)非常关心。例如，调谐用于检测这种发射光的光电传感器 可以用于感应被该光照射的对象的存在/不存在、距离或其他属性。为 了传感器对准的目的，观察者看见发射光束的能力是有利的。条形码 扫描器是这种传感器的一种特殊情况，用户更喜欢使用可见波长的光， 使得他们能够更容易地将光束对准条形码。化学、生物或医学传感器 可以利用具有特定发射波长或波长范围的光的吸收或散射。一个这样 的示例是脉冲血氧计，脉冲血氧计依靠665nm和905nm波长光源的 相对吸收来确定被测血液的氧含量。显示器或印刷设备可以依靠这种 较短波长的发射光来提供较高的分辨率。
具有这种红光发射VCSEL的系统的期望用途确定了其属性，所 关心的属性包括发射光波长、功率转换效率、发射发散角和发射模式 结构。模式结构描述了发射光束的形状。一些用途需要单模器件，即 具有均匀的圆形高斯形光发射强度轮廓。
图1是在衬底1上形成的典型薄膜半导体材料红光发射VCSEL 结构的很一般的示意分层图。由AlGaAs材料来构造形成光谐振腔的 反射镜2、3，该AlGaAs材料由成分近似为Al0.5Ga0.5As的相对较大折 射率的薄膜层与成分为AlxGa1-xAs(其中摩尔分数x>0.85)的相对较 小折射率的薄膜层交替而成。每个这样的层的厚度与期望由VCSEL 发射的光在该层所关心的材料中的光波长的四分之一(λ/4)相对应。 光学厚度由波长除以折射率来定义。例如，如果发射波长是670nm， 成分为具有3.65折射率的GaInP。与该材料中的一个波长相对应的光 学厚度则是(670nm)/3.65＝183.6nm。在反射镜内，层为四分之一波长 厚，因此，反射镜层的厚度将在45nm范围内。这样两种材料的交替 的四分之一波长厚的层的许多周期(>20)形成了在期望发射波长上 的高反射率反射镜。反射镜2被掺杂为具有n型导电性，反射镜3被 掺杂为具有p型导电性，反射镜3上具有高度掺杂的掺杂渐变 (grading)层3’，层3’的厚度为2nλ/4，其中n是整数。
由AlGaInP材料系来形成反射镜2和3之间的VCSEL有源区4。 在由成分近似等于Ga0.5In0.5P的相应薄膜形成的结构中，包括一个或 更多量子阱。注入的载流子被这些量子阱捕获，并复合从而发光。每 个量子阱薄膜的成分和厚度一起确定了量子阱的发射或光致发光波 长。这些量子阱由AlGaInP组成的阻挡薄膜层间隔开，并在有源区4 的每一侧通过覆层或限制层5和6(也由AlGaInP组成)将其一起限 制，其中，选择阻挡层和覆层的成分使得它们的晶格常数与用作器件 衬底的GaAs相匹配，并使得它们具有大于GaInP的带隙，从而提供 了光子限制。典型地，有源区的总厚度典型地为期望由VCSEL发射 的光的一个波长(1λ)厚，但是它可以是半发射波长的任一整数倍 (nλ/2)。在掺杂渐变层3’上提供了高度掺杂的GaAs覆盖层7，它们 一起降低了横向方向上的电阻。
对总体VCSEL外延结构的一个限制是该结构中层的晶格常数或 参数近似等于其下的GaAs衬底的晶格常数或参数。如果不是这样， 则可以形成晶格缺陷，晶格缺陷可能随着器件的使用而导致对器件的 损坏，因此限制了器件的可靠性或寿命。在AlGaAs材料系中，在从 AlAs至GaAs范围内铝和镓之间替换所得的所有可能成分，都满足该 条件。然而，在AlGaInP材料系中，仅有(AlxGa1-x)yIn1-yP相对应的成 分才满足该条件，其中摩尔分数y＝0.51。在不影响与GaAs的晶格匹 配的情况下，摩尔分数x可以从0至1.0调整。然而，通过略微调整 y值和层厚，从而向量子阱和阻挡层加入少量应变，可以对AlGaInP 中的带隙不连续性进行一些调整。如果应变层的总厚度保持充分薄 (100-200nm)，则不会形成缺陷，不影响器件的可靠性。
如图1的具有相同半导体材料层的VCSEL结构的更一般的示意 分层图图2所示，使用离子注入和氧化物孔径形成的标准技术，可以 将电流限制至结构中的所需位置。图2示出了这样的结构，如注入或 氧化物限制层8以及具有发射孔径的顶部金属互连9。衬底1在其暴 露的外表面上设有另一金属互连1’。为此目的，存在其他可用选择， 在其他波长上发射光的VCSEL已经说明了这些选择。
已经说明了红光发射VCSEL，但是，典型地，其操作温度范围是 有限的，而且，最大输出功率，尤其是单模输出功率也是有限的。对 于较短波长的器件，这些限制变得更加明显。由于AlGaInP-AlGaAs 材料系中较小的带隙不连续性以及较低的导热性，如果发射波长减小 或操作温度升高，或两者皆有，则红光发射VCSEL的输出功率下降。 较小的带隙不连续性意味着应由量子阱捕获并在其中复合以发射光的 载流子代之以逃离，因此对光的输出没有贡献。随着温度升高，电荷 载流子甚至更可能逃离这些阱。对于较短波长的器件，量子阱需要更 浅以产生更高能量或更短波长的光，但是这也促进了电荷载流子的逃 离。因此，例如，在650nm上发射的器件与在670nm上发射的器件 相比，其中实现高性能的难度明显增大。
在操作的温度范围中起作用的另一个问题是AlGaAs反射镜的电 阻。构成该反射镜的约50％厚度的Al0.5Ga0.5As成分具有很差的导热 性。此外，反射镜中的许多周期促进了电阻的增大，这产生了附加的 发热。该附加发热与该材料系对温度的极大敏感性相结合加剧了这个 问题。这些因素的结合使得提供一种具有充分的单模输出功率的红光 发射VCSEL尤为困难。此外，单模器件的较小孔径尺寸典型地意味 着这些器件发热更快。因此，希望拥有一种被配置为较少受到这些限 制所限的红光发射VCSEL器件。

本发明提供了一种用于发射窄线宽光的半导体材料垂直腔面发射 激光器，包括复合半导体材料衬底和衬底上的第一反射镜结构中第一 导电性类型的半导体材料层的至少两个第一反射镜对，所述第一反射 镜对中的每个半导体材料层在至少一个组分浓度上互相不同，每个第 一反射镜对由具有渐变组分浓度的第一反射镜间隔层互相分离。在所 述第一反射镜结构上的有源区具有多个量子阱结构，所述量子阱结构 由至少一个有源区间隔层分离，以及有源区上的第二反射镜结构中第 二导电性类型的半导体材料层的至少两个第二反射镜对，所述第二反 射镜对中的每个半导体材料层在至少一个组分浓度上互相不同，每个 第二反射镜对由具有渐变组分浓度的第二反射镜间隔层互相分离。所 述衬底、所述第一反射镜结构、所述有源区和所述第二反射镜结构分 离了电互连对。所述量子阱结构可以在一个方向上受到应力，而所述 有源区间隔层在相反的方向上受到应力。

图1示出了红光发射VCSEL的外延层结构的一般示意分层图，
图2示出了加入电操作结构的红光发射VCSEL结构的更一般的 示意分层图，
图3示出了说明实施本发明的红光发射VCSEL的外延分层结构 的表格，
图4示出了实施本发明的一部分的示意分层图的一部分，
图5示出了实施本发明的一部分的示意分层图的一部分，
图6示出了说明本发明的可选红光发射VCSEL的外延分层结构 的另一个表格，
图7示出了实施本发明的一部分的示意分层图的一部分，
图8示出了实施本发明的一部分的示意分层图的一部分，
图9示出了具有电操作结构的、实施本发明的可选红光发射 VCSEL示意分层图，
图10示出了图9所示的红光发射VCSEL器件的顶视图，
图11示出了具有电操作结构的、实施本发明的可选红光发射 VCSEL示意分层图，
图12示出了具有电操作结构的、实施本发明的可选红光发射 VCSEL示意分层图，
图13示出了具有电操作结构的、实施本发明的可选红光发射 VCSEL示意分层图，
图14示出了实施本发明的可选红光发射VCSEL示意分层图，
图15示出了具有本发明的红光发射VCSEL器件阵列的单片集成 电路芯片的布图，
图16示出了用于本发明的红光发射VCSEL器件阵列的封罩布 置，
图17示出了用于本发明的红光发射VCSEL器件阵列的封罩布 置，以及
图18示出了用于本发明的红光发射VCSEL器件的封罩布置。

图3是针对红光发射VCSEL器件的表格式分层列表，表示了用于 红光VCSEL器件(减轻了上述限制的器件)的薄膜半导体材料外延层。 针对VCSEL器件结构的表中的33层中的每一层，规定了其成分、厚度、 掺杂物类型和掺杂物浓度。
该外延结构生长在n型掺杂的GaAs半导体材料衬底上，在表中使 用层号0来标注该衬底。之上要沉积其他层的衬底主表面应与(100) 方向偏差6至10°。该选择改善了产生发射光的有源区的AlGaInP层的光 学质量。然而，更高程度的定向偏差导致反射镜的高含铝量层趋于加 速氧化或退化。
器件反射镜2’和3’由两种主要层在器件叠层中互相交替组成，其 中每个包括两种不同成分的AlxGa1-xAs之一，即无镓的AlAs层与 Al0.5Ga0.5As层交替。这些主要层它们之间的层间隔开，在间隔层中， 铝和镓的分布是摩尔分数在层厚度上单调渐变，以匹配在渐变间隔层 每一侧的主要层中的镓含量。虽然希望两个主要层的镓含量尽可能不 同，以最大化对期望发射的光的反射率，但是，最小的铝成分被限制 在摩尔分数值x＝0.5左右，以消除由于带边缘而导致的吸收。
使用硅将与衬底最接近的反射镜2’掺杂为n型导电性。可选地，可 以使用许多其他n型掺杂物，包括碲和硒。在器件有源区4’相反侧的反 射镜3’具有相同的成分范围以及两个主要层之间类似的单调渐变间隔 层，但是使用碳将其掺杂为p型导电性。可选地，可以使用其他p型掺 杂物，如锌或镁。反射镜层的重复周期总厚度是1/2λ，其中λ是在650nm 至680nm范围内的所需波长。
具体的层厚度和掺杂浓度被选择为最小化器件的电阻，而对反射 镜的光反射率或光吸收没有不当的负面影响。渐变间隔层的厚度被示 为约20nm。其他两个层的厚度每个近似等于1/4λ减去渐变间隔层的厚 度。渐变间隔层的厚度应至少10nm厚，以在不减小反射镜的光反射率 的情况下减小其电阻。典型地，最佳厚度在20至25nm范围内。
掺杂浓度的选择也是这样的问题：在不增大由于自由载流子吸收 而导致的光吸收的情况下，平衡通过增大掺杂浓度来减小电阻率的希 望。在n型导电性反射镜2’中与有源区4’最接近的6个周期内， Al0.5Ga0.5As层和AlAs层中的掺杂为5·1017/cm3，并在层厚度上，从渐变 间隔层与相邻AlAs层最接近的一侧的1·1018/cm3渐变至渐变间隔层与 相邻Al0.5Ga0.5As层最接近的一侧的5·1017/cm3。在n型导电性反射镜的 其余部分中，掺杂均匀地位于2·1018/cm3的水平。
在p型导电性反射镜3’内，在与有源区最接近的前6个周期内， Al0.5Ga0.5As层的掺杂为5·1017/cm3，AlAs层的掺杂为1·1018/cm3，并在层 厚度上，从渐变间隔层与相邻Al0.5Ga0.5As层最接近的一侧的5·1017/cm3 渐变至渐变间隔层与相邻AlAs层最接近的一侧的1·1018/cm3。在p型导 电性反射镜的大部分其余部分中，掺杂在Al0.5Ga0.5As层为1·1018/cm3， 在AlAs层为2·1018/cm3，并在层厚度上，从渐变间隔层与相邻 Al0.5Ga0.5As层最接近的一侧的1·1018/cm3渐变至渐变间隔层与相邻 AlAs层最接近的一侧的2·1018/cm3。
选择在p型导电性反射镜3’和n型导电性反射镜2’中与有源区最接 近的反射镜周期中进行较低的掺杂，以减小在光场最高的层中的自由 载流子吸收。较远的反射镜周期在光束吸收上的效果越弱，因此，可 以容许较高的掺杂浓度来帮助减小电阻。
在器件中p型导电性反射镜3’的外表面(层30的外表面)上，提供 了第一Al0.5Ga0.5As层，其中，掺杂从2·1018/cm3渐变至3·1019/cm3，从而 渐变至在其上提供的被掺杂至3·1019/cm3的另一Al0.5Ga0.5As层的掺杂 浓度。最外层是GaAs，被掺杂至>1·1019/cm3。这三层一起形成了约9λ/4 厚的厚度，其中λ是所需的器件发射波长。以非常高的浓度对该结构的 这些最顶层进行掺杂的目的是提供非常低的横向电阻，以在器件的孔 径中均匀地扩散器件操作电流。
在使用氧化物孔径用于电流限制的情况下，要调整反射镜的成 分。由于要氧化的层必须包含比其他反射镜层更高的Al浓度，因此， AlAs不能再用于较低折射率层。典型地，可以使用x在0.85至0.95范围 内的AlxGa1-xAs。然而，如果氧化物孔径位于有源层与具有孔径的金属 互连之间的反射镜3’中，则优选地在其他反射镜(最接近衬底的反射 镜2’)中继续使用AlAs作为低折射率层，以最小化后一反射镜的电阻 率并最大化其导热性。另一方面，最接近量子阱有源区的2至4个底部 反射镜周期也可以具有减小的铝含量，以避免在氧化孔径时偶然地氧 化了这些层。
可以使用从反射镜2’和3’中最接近有源区的6个层重复周期中的 低值1·101/cm3至这些反射镜中其余部分的高值3·1018/cm3的范围内的 其他掺杂浓度。然而，典型地，在图3所示浓度的约+/-30％之内的浓 度是最佳的。
反射镜配置的其他变型可以具有以下益处：减小器件电阻或改进 导热性，或两者兼有，图4的示例中示出了这样的变型之一。图4A示 出了如上述图3的表格所配置的反射镜2’的示意表示，即具有四分之一 波长厚度的AlAs(或反射镜的低折射率层)与四分之一波长厚的 AlGaAs(或反射镜的高折射率层)交替。图4B中示出了可选的反射镜 2”。虽然反射镜周期的总厚度保持在半波长，但是增大了AlAs层的厚 度，而减小了AlGaAs层的厚度。由于AlAs层具有更高的迁移率和更高 的导热性，因此，减小了反射镜的电阻，并增大了导热性。AlAs层的 光学厚度比Al0.5Ga0.5As层的光学厚度大50％，但是任何大于1：1的比 值都具有积极效果。
图5示意了用于减小反射镜结构的电阻的又一种变型。由于n型导 电性AlAs和AlGaAs的迁移率明显高于p型材料，因此，对于上述图3 的表格中的器件，可以通过不仅将其反射镜2’掺杂为n型导电性，也将 其反射镜3’掺杂为n型导电性来减小其电阻率。然而，为了器件的正确 工作，需要pn结。这可以通过在器件的有源区4中，在隧道结延伸有源 区4’和覆盖层7之间，与产生的n型导电性反射镜3”相邻，加入隧道结 20来实现。当对量子阱有源区4’上的pn结进行正向偏置时，将隧道结 20反向偏置。通过对形成隧道结20的层进行高度掺杂，击穿电压可以 非常低，使得该结不会加大地增加所需的器件驱动电压。高度掺杂层 (1019/cm3)被保持为非常薄，并位于光零值处，以最小化其对自由载 流子吸收损耗的过多贡献。该隧道结包括依次生长的：高度掺杂n++ 导电性层21，接着是p++导电性层22，每层具有约100至的厚度。n 型导电性层具有约2·1019/cm3的掺杂浓度，p型导电性层具有约 8·1019/cm3的掺杂浓度。
在图3中的表格中的器件或图4和5的反射镜变型中的两个反射镜 2’或2”与3’或3”之间是有源区4’中的层，在其每一侧由一对覆层5’和6’ 中的相应一层限制，在该区域中，注入的电荷载流子互相复合并发射 光。这些层基于(AlxGa1-x)yIn1-yP材料，在摩尔分数近似为y＝0.51的值 时，该材料的晶格常数与GaAs相匹配。以下，当y不同于0.51的值时 才特别说明y。
有源区4’从反射镜2’一侧开始具有由Al0.7Ga0.3InP组成的60nm厚 非渐变间隔层或覆层5’，层5’在5·1017/cm3的水平上被掺杂为n型导电 性，接着是相同成分但未掺杂的15nm厚的层。下一层是20nm厚的非 掺杂Al0.4Ga0.6InP层。产生光的层由3个约7nm厚度的非掺杂Ga0.46In0.54P 量子阱组成，分别由两个Al0.4Ga0.6InP阻挡层分离开，每个阻挡层具有 6nm厚度。接着是另一20nm厚非参杂Al0.4Ga0.6InP成分层。然后，有源 区4’在其与其开始处相对的一侧终止，终止于具有75nm厚度的、p型 掺杂至1·1018/cm3水平的Al0.7Ga0.3InP非渐变间隔层或覆层6’，该层6’位 于与p型导电性反射镜3’的结构相邻的位置。AlGaInP层的总厚度被调 整为与1λ的光学厚度相等，其中λ还是所需的VCSEL发射波长。为实 现640至670nm范围内的所需发射波长，根据该范围内的所需发射波 长，略微调整有源区4’中Ga0.46In0.54P量子阱层的厚度。
选择AlGaInP材料组成的有源区4’来提供最佳的载流子注入和载 流子限制，以改进波长和操作温度范围，并改进输出功率。选择 Ga0.46In0.54P成分的量子阱来提供约0.5％的压缩应变。这增加了阱深， 并增大了量子阱和周围阻挡层之间的带隙不连续性，以减少载流子泄 漏。间隔层或覆层5’和6’的成分被选择为接近最大带边缘偏移，以改 进载流子限制。最终，选择掺杂浓度和位置来提供良好的载流子注入 与消除不当的自由载流子吸收之间的平衡。特别地，使用较高浓度的p 掺杂(1·1018/cm3)改进了对电子泄漏入p型导电性反射镜3’的阻挡， 该泄漏可能导致光吸收增大。
量子阱的光致发光峰值波长被选择为比Fabry-Perot谐振腔反射镜 分离或腔发射波长短5nm至15nm，以增强器件的更高温度的性能。这 增大了操作温度范围，这是由于量子阱发射的峰值随温度升高向更高 波长的移动比Fabry-Perot谐振波长更快，因此VCSEL腔的发射波长随 温度而增大。这意味着，在高于室温的温度上，两者对准，因此改进 了更高温度的性能。可以增大腔发射和量子阱发射之间的偏移，以实 现改进的更高温度的性能，但是，这样的代价是增大了阈值电流，并 在室温及以下降低了输出功率。根据器件所选的特定用途的性能要求， 来平衡这两种考虑。
图6提供了针对红光发射VCSEL器件的表格式分层列表，表示了 用于可选红光VCSEL器件的薄膜半导体材料外延层结构，该结构具有 34层，允许器件在更高温度下实现更好的性能。该器件的反射镜2’和3’ 中的层与图3中所示的层结构中完全相同，但是，如以下所述，有源区 4”具有与表3的器件中不同的AlGaInP层。
反射镜2’和3’之间的有源区4’’仍是总计1λ厚，其中λ是所需的光发 射波长。除了量子阱和阻挡层之外，所有层中的In成分被选择为晶格 常数与GaAs相匹配，即近似(AlxGa1-x)0.51In0.49P。
与基于n型导电性AlGaAs材料的反射镜2’相邻的第一层是 (Al0.7Ga0.3)InP间隔层或覆层5”，该层5”在5·1017/cm3上被掺杂为n型导 电性。然后，在约55nm的厚度上，提供了成分摩尔分数从x＝0.7渐变 至x＝0.5的渐变间隔层。该层也在5·1017/cm3上被掺杂为n型导电性。接 着是14nm厚的非掺杂Al0.5Ga0.5InP。
接下来是与3个量子阱层交错的4个阻挡层，这些层均未掺杂。对 成分为Ga0.46In0.54P的量子阱层进行压缩应变。与图3的结构不同，这里， 阻挡层被布置为受到张应力，以补偿量子阱层的压缩应力。这些层是 (Al0.5Ga0.5)yIn1-yP，其中y的值被调整为大于0.51，从而在这些层中提供 约0.35％的张应力。
在第4个受张应力的阻挡层之后，是厚度为14nm的晶格常数匹配 非掺杂Al0.5Ga0.5InP层。接着是渐变间隔层，在55nm的厚度上，其成分 摩尔分数从x＝0.5渐变至x＝0.7。该层被掺杂至1·1018/cm3。最后的 Al0.7Ga0.3InP间隔层或覆层6”为20nm厚，并被掺杂至1·1018/cm3。
因此，该VCSEL中的有源区4”在量子阱的压缩应力与交错的阻挡 层的张应力之间进行了平衡，以提供甚至更好的载流子限制。该张应 力与受压缩应力的量子阱结合，在量子阱深度方面提供了甚至比在具 有晶格匹配的阻挡层和相同成分的受压缩应力的量子阱中所观察到的 更大的改进。此外，应变的平衡使得可以甚至更多地降低y来在量子阱 中创建甚至更大程度的压缩应变，而没有产生对器件寿命有负面影响 的缺陷的风险。此外，摩尔分数从x＝0.5渐变至x＝0.7的AlGaInP层也提 供了更好的载流子限制。
图7的有源区表示图中示出了有源区配置的另一种变型。图7A示 出了图6中对n型导电性覆层5”和p型导电性覆层6”均使用Al0.7Ga0.3InP 覆层的布置。如图7B所示，该变型包括使用相同光学厚度(或维持总 的腔厚度在λ/2的整数倍的光学厚度)的AlAs层来替换这些 Al0.7Ga0.3InP覆层。因此，在图7B中，n型导电性AlAs层5”’替换了图7A 中的层5”，图7B中的p型导电性AlAs层6”’替换了图7A中的层6”。AlAs 层仍提供了载流子限制，但是具有更高的导热性，因此有助于散热。 在热管理中，更厚的层将更有效，但将使对腔厚度的控制更有挑战性。
图8示出了有源区的又一种变型。在这种情况下，在n型导电性 AlGaInP覆层5”和反射镜2’中的第一AlAs层之间的界面上包括薄GaP 过渡层23，在p型导电性AlGaInP覆层和反射镜3’中的第一AlAs层之间 的界面上包括薄GaP过渡层24。在AlAs与AlGaInP之间的界面上存在带 不连续性，这在器件上产生电压降。非常薄(<10nm)的GaP过渡层 的使用提供了能带中的中间级，从而减小了不连续性。然而，GaP过 渡层不能与GaAs衬底晶格匹配，因此，这些层的厚度必须保持非常薄， 以避免产生可能使器件寿命退化的缺陷。
在上述外延层之外，在器件中也提供了其他结构布置以获得电流 限制并允许电接触，以改进器件的性能。图9和10以表示示意图的形式 分别示出了器件的部分分层图和顶视图，示意了这样的特征。因此， 红光VCSEL10具有衬底11，在其暴露的外表面上提供了金属互连11’。 衬底11上支撑着n型导电性材料反射镜12，该反射镜12与p型导电性反 射镜13之间具有有源区14，反射镜13和有源区14都被支撑在反射镜12 上。反射镜13上支撑着覆盖层17，反射镜13中具有氧化物或注入限制 层18，在器件10上与互连11’相对的一侧有层17上支撑的金属互连19， 金属互连19中具有发射孔径。
在图9中，使用质子，通过离子注入来提供增益导引，以形成限 制层18，从而获得载流子禁闭。质子是一种能够穿过相当厚的p型导电 性反射镜层，并使它们所停留处的材料保持绝缘的材料种类。使用将 层18的注入峰值置于VCSEL器件10的有源区1之上2至6个反射镜层重 复周期距离处的能量，来注入质子。可选的，通过在该结构中生长Al 成分(>0.95)大于其他低折射率反射镜层(等于Al 0.85)的低折射率 反射镜层，然后使用高温蒸汽来氧化高Al含量层以形成绝缘Al2O3，形 成氧化物孔径，以此提供该载流子限制结构。
然而，层18的注入结构具有多个优点。它允许在顶部反射镜中使 用AlAs，AlAs具有比AlGaAs更高的导热性，从而允许更好的散热。它 产生比氧化物层更小的应力，因此可以产生更可靠的器件。它在折射 率上提供了更小的反差，因此可以允许在比氧化物孔径所可能的更高 直径(高达10μm)上制造单模器件。
具有由离子注入提供的增益导引的单模器件中层18中的孔径的 正确孔径尺寸为6μm<孔径直径<12μm，其中，典型地8至10μm是最佳 尺寸。可能需要更小直径的器件来实现具有用于载流子限制的氧化物 孔径的单模器件。
金属互连19中的发射孔径允许光逃离设备以发射，尽管在图10中 被示为不同的直径，但是该孔径名义上应与注入孔径的直径相同 (+/-0.5μm)。典型地，相等的金属和注入孔径提供了输出功率效率和 低横向电阻(即电流不需要经过较长的横向距离来到达孔径)的最佳 结合。
图9和图10还示出了器件电隔离注入结构25，用于在多器件单片 集成电路芯片上将一个VCSEL器件与其相邻的器件隔离，因此，注入 的载流子穿过期望的器件而不流向相邻的器件。这样的注入也更希望 是使用质子来注入，但是也可以想到，如果提供了较高的注入能量， 则可以使用其他种类(例如氧)。内隔离注入直径充分大，使其不干扰 与器件的金属接触，即内直径孔径至少比金属的内直径大10μm。外隔 离直径应比内直径大5至40μm。虽然可以是“无限的”(除了器件之外 处处是无差别注入)，但是，期望更窄的注入环来提供热方面的优点， 即未注入的材料是比注入材料更好的热导体。注入环的宽度选择是在 器件之间提供良好隔离的需要与最大化导热性的希望之间的平衡。
红光VCSEL中一个特别的问题是热透镜化(lensing)，即发热以 非均匀的方式来影响折射率。用于提供VCSEL中的电和光能量限制的 质子注入和氧化物孔径方法均呈现出限制。一般地，氧化物孔径提供 了过强的折射率导引，对除了最小孔径之外的所有孔径导致了多模器 件。虽然对较小孔径的器件可以实现单模器件，但是，发热和电流密 度限制了可实现的单模输出功率量。另一方面，质子注入所提供的较 弱的折射率导引可以允许在更大的直径上实现单模性能，但是，热透 镜化成为问题，因而模式结构作为温度的函数而变化。当使用非常宽 的带宽来调制该器件时，热透镜化的出现可导致难以实现具有作为温 度的函数的可预测和稳定输出功率的调制。
如图11的表示示意图所示，一种用于在最小化热透镜化同时最大 化实现高单模输出功率的能力的可选红光VCSEL器件10’是在其中使 用双质子注入，或渐变离子注入。较低能量注入层18’较浅，并且使用 形成较小直径非注入区的掩模。用于形成注入层18的第二较大能量注 入使用提供较大直径非注入区的掩模。较高、较小直径的注入层18’ 有助于将电流导引至较低注入孔径的中心，从而有助于抵消将电流引 导离开中心的热透镜化效应。然而，这种方法将有源区中的电流密度 保持与更大直径器件一致，这对实现更大的单模输出功率十分重要， 并提高了器件寿命。
也可以通过使用多个(>2)注入能量和掩模直径来改进该效应， 或可能通过使用成一定角度的注入，来实现越向器件表面注入直径越 小，越靠近有源区注入直径越大的效应。
图12的表示示意图中示出了用于在红光VCSEL中实现模式控制 和较大直径单模的又一种选择10”。这使用了离子注入孔径和氧化物 孔径的结合。具体实现方式是向中心接近量子阱有源区14的深度，即 以从量子阱有源区至量子阱之上4个周期的任何地方为中心的深度，提 供质子注入层18。此外，在从量子阱有源区14向互连19的方向上大于6 个周期的位置处，形成具有孔径的氧化物层18”，以提供较弱的折射 率导引。基本上，氧化物层18”将为光模式提供较弱的折射率限制， 这提供了光模式的更大的温度稳定性，而质子注入层18将提供电流限 制。
图13的表示示意图中示出了又一种可能的红光VCSEL器件配置 及其制造工艺。在这种情况下，执行对图9的覆盖层17和反射镜13的蚀 刻，优选地，蚀刻在图13的修改VCSEL 10”’中产生的反射镜13’中、 在产生的覆盖层17’中留有略微的正倾斜。然后，沉积具有孔径的金属 互连19’的金属，使得在提供该互连的过程中，该金属覆盖了该蚀刻的 倾斜侧壁。这种配置的目的是进一步改进器件散热，这是由于，在该 结构中，在操作过程中，其中产生的热量在横向方向上比在垂直方向 上更有效地传导。这种布置允许金属与侧壁和结构中若干层相接触， 以更容易地从器件散热。在质子注入设计的反射镜中使用AlAs(比 AlGaAs合金具有更高的导热性)的能力允许进一步促进该散热。如上 所述，通过将质子注入用于增益导引，允许了这种选择，但是，如果 增益导引是氧化物孔径，则不可使用该选择。此外，这种布置还允许 隔离注入更深地穿透入器件，或可选地，允许更低能量的注入。
图14示出了红光发射VCSEL的电接触结构的另一种布置10iv。在 这种布置中，适于与n型导电性材料欧姆连接的金属接触26在n型导电 性反射镜12处，与有源区14中修改n型导电性覆层15’的表面(与衬底 平行)进行电接触。此外，适于与p型导电性材料欧姆连接的金属接触 27与修改p型导电性反射镜13’的表面(与衬底平行)进行电接触。因 此，与VCSEL器件的pn结的接触是在VCSEL器件10”’内的有源区14之 中和附近的覆层和反射镜层，而不是形成在器件的衬底和发射表面上。 这种布置要求蚀刻两个平台——一个平台被蚀刻在图9的p型导电性反 射镜13中靠近有源区14的部分，以形成图14的修改反射镜13(或可选 地，在有源区14中的p型覆层区16的合适修改的顶部)从而形成接触27， 而另一个平台被蚀刻在图9的n型导电性覆层15中在有源区14中的部 分，以形成图14的修改覆层15’(或靠近有源区14的n型导电反射镜12 的合适修改的部分)从而形成接触26。可通过使用更厚的覆层(但是 该覆层被设计为使得总体腔的光学厚度是发射波长的整数倍)，或在反 射镜中使用分离接触层，来促进本方法的实现。可以使用蚀刻阻止层 (不会被用于蚀刻结构中其余部分的同一湿法或干法化学物所蚀刻的 薄层)来在所需的层准确地阻止蚀刻。
这种布置将金属互连层(典型地具有高导热性)置于尽可能接近 有源区，以实现器件操作过程中所产生热量的散发。此外，电流不需 要通过较高电阻的反射镜层，从而最小化了在操作中由于电阻而产生 的热量。
图15示出了VCSEL阵列布置的表示示意图，该阵列布置用于维持 VCSEL器件上的恒定热负载以最小化热导致的其性能对时间的依赖 性。例如，由于相邻的器件被开启以发射红光，一个VCSEL的输出可 能减小，或甚至增大。图14的结构将VCSEL器件10(作为示例，该 VCSEL器件发射光)与第二器件10v成对，该第二器件除了在金属中没 有开口以允许发射光之外，其余均与器件10相同。在使用中，在操作 中，电流可以在发光器件和闭合的器件之间切换。当希望关闭一个 VCSEL器件10时，将电流切换至其闭合孔径的配对器件。芯片上的热 负载应当保持几乎相同。尽管图中示出了两行器件：一行具有正常孔 径，另一行具有闭合的孔径，但是，根据用户的期望，各种其他几何 布置也是可能的。
用于管理发热和散热的其他方式包括使用具有高导热性的聚合 体或介电层(如金刚石或氮化铝(AlN))来在芯片上涂覆。使用焊接 而不是使用导电环氧树脂来将管芯附着至封装可以改进通过封装的散 热。使衬底减薄至小于100μm并将管芯附着至高导热性的副底座可以 改进散热。
图16中的VCSEL阵列封装配置的表示示意图示出了另一种散热 布置。在这种配置中，器件焊接盘28镀有厚金属，例如，VCSEL 10 置于焊接盘之间，通过焊接或接线柱球焊(stud bumping)，将产生的 阵列器件安装至透明的上基板29，优选地，该上基板29具有非常高的 导热性。器件10与带走热量的金属线28邻近有利于这些器件。
可选地，在将器件安装至上基板29之后，可以去除GaAs衬底11， 并且可以在VCSEL器件的后侧制作接触部。然后，将芯片或晶片安装 在高导热性的副底座上，现在该副底座不必是透明的。这也促进了散 热。
图17示出了VCSEL阵列封装配置的另一种表示示意图。在这种封 装中，在VCSEL结构的部分制造(例如在VCSEL 10中形成质子注入 或氧化物孔径)之后，可以将具有部分制造的VCSEL的晶片在p型导 电性反射镜13中的暴露表面上，例如，附着至使用厚导热性金属层30 来涂覆的副底座上。然后，移除原始的GaAs衬底11，将金属接触31沉 积并构图在原先位于GaAs衬底11相邻位置的其余结构(在本示例中是 n型导电性反射镜12)的现在暴露的表面上。该金属包含开口孔径，该 孔径允许光从每个VCSEL的中心逃离。这个结果也允许在紧邻有源区 14的附近使用厚金属层，以促进器件散热。
图18示出了主动散热的VCSEL器件封装配置的表示示意图。在这 种封装中，VCSEL结构可以是已描述的任何配置，或这些配置的结合。 作为示例，将VCSEL器件10直接置于热电冷却器32之上，以在器件操 作过程中控制其温度。热电冷却器是标准的微电子组件，用于控制电 路或其他发热操作器件(如光电器件或集成电路)的温度，可以购买 到尺寸足够小以装入TO接头类型的封装33中。可选地，通过在VCSEL 结构材料的生长和处理从而形成VCSEL器件之前，首先在GaAs衬底上 生长用于这种冷却器的多个GaAs pn结，可以单片地集成热电冷却器。 作为冷却器的基础，约5至20个pn结可以依次逐一堆叠生长，每个在 1,000至5,000厚的数量级。通过选择性蚀刻和金属化互连，该结可以 并联电互连，或通过使用中间隧道结，该结可以串联电互连。VCSEL 器件的主动冷却允许将其保持在可以实现所需性能的合适温度范围。
在上述器件中，对反射镜的关键考虑在于减小其串联电阻和其中 的光吸收，这又导致了设备的发热更少。这是通过以下方法来实现的： 增大反射镜中渐变层的宽度、降低与有源区接近的反射镜中掺杂水平、 以及增大反射镜中远离有源区的重复材料层周期中的掺杂水平。通过 对离有源区最远的p型导电性反射镜中的层进行高度掺杂以减小接触 和横向电阻，也解决了电阻的减小，从而解决了发热问题。
在有源区中，做出可行的选择，以最小化发热的影响。选择具有 压缩应变的量子阱，与晶格匹配或张应变的阻挡层相结合，改进了有 源区中的载流子限制，从而增大了操作温度范围。在p型间隔层或覆层 中使用更高度p掺杂的区域，将电子限制至有源区，并防止其被注入p 型导电性反射镜。在改进载流子限制的目的下，也进行了层成分的选 择和渐变。
导热性也必须改进，使得可以更有效地从器件散热。使用质子注 入结构与含AlAs的反射镜结合，对这一目的做出了贡献。改进导热性 的目的限制了隔离注入区的宽度。顶部反射镜的蚀刻，以及在所蚀刻 的侧壁上的金属沉积，提供了散热的通道。导热性电介质的沉积、封 装中焊接的使用、以及所述的用于更有效提供从器件至封装的较短热 通道的封装结构，都被设计用于更快更有效地从器件散热。一般地， 这些增强将增大输出功率，减小用于发射激光的阈值电流，减小电阻， 并增大器件成功操作的温度范围。
虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可 以认识到，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以做出形式和 细节上的改变。
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年3月7日提出的临时专利申请No.60/780,267 “RED LIGHT LASER”的优先权。