CN1472853A - 表面发射半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

一种表面发射半导体激光器包括：衬底，其上形成有谐振器，谐振器包括下反射镜，有源区，和上反射镜；金属层，设置在上反射镜上并具有用于限定在有源区产生的激光的输出区的第一孔；和光限制区，设置在金属层和下反射镜之间并具有限定激光发光区的第二孔，第二孔具有等于或大于12μm的直径，第一孔具有比第二孔直径小1到5μm的直径。由发光区发射的激光具有多模，包括选自预定波长范围内的多个次数。

Description

表面发射半导体激光器
发明领域
本发明涉及用作光信息处理光源的表面发射半导体激光器，尤其涉及用作光数据存储装置和光通信的光源的表面发射半导体层。
背景技术
最近，在光通信和光互连技术领域中对能够容易地实现光源阵列的表面发射半导体激光器的需求增加了。这种激光器又称作垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)。
已知VCSEL具有低阈值电流，小功率消耗，容易形成圆点和晶片水平评估的优点。另一方面，已知VCSEL具有由低阈值电流导致的有源区的小体积的缺点。尤其是VCSEL具有几十到几百欧姆高的器件阻抗而难于启动。例如，仅由这种器件自身难于获得10mW的高功率。
已经发展了一种低成本多模光纤，其典型是塑料光纤(POF)，而且已经占领了对短距离光通信(几米到几百米)的关注。长距离光通信运用单模光纤和具有例如1.31μm或1.55μm的较长波长的边缘发射激光二极管的组合。但是，这些器件很贵，不适合用于要求低成本的本地通信。
用于多模光纤的光源要求低成本并且无需特定的光学系统和驱动系统。表面发射激光器满足这些要求，是作为多模光纤光源的合适侯选之一。
在市场中可以得到的典型的VCSEL是利用热透镜效应的所谓质子注入型，其中电流经过区和其外围区之间的折射率存在微小的基于热的差异。对于激光振荡，非质子注入区或电流经过区的尺寸或直径被设置为等于十到几十微米。但是，这具有的缺点是，因为弱电流收缩而使得发光效率低并且阈值电流高。而且，由于产生大量热，器件特性容易降低，并且没有偏置电压时的频率响应也不好。在结构分类中这种质子注入型VCSEL被称作增益波导结构。
选择性氧化VCSEL具有专门形成的用于对光限制的折射率分布，因此被归类到折射率波导结构。在这种选择性氧化VCSEL中，在有源区的邻近区域中半导体多层反射层的一部分被选择性氧化由此限定了折射率波导通路。如此限定的区域具有强的光限制效应，因此实现了高效率和低阈值电流。此外，可以容易地制造具有良好频率响应的VCSEL，其中调制带宽(3dB下截止频率)的范围从几GHz到几十GHz。
虽然VCSEL具有上述的许多优点，但是为了增大输出而把发光部分的直径增加到大于10μm的情况下可能产生各种高次振荡，并表现出所谓的多模振荡特征。如果光谱宽度扩展到超出多模振荡中的给定范围，由于光纤的模式色散特性，增加了光衰减。而且，注入电流量或周围温度的变化可能引起模的横向模式不稳定性，以致易于发生模式色散噪音。而且，光束发散角的增加可能降低与光纤的耦合效率。
通过收缩发光区的直径(典型小于4μm)和把振荡限制到仅最小次数的基本(零次数)横向模式的方法可以提高模式特性。但是，这种方法遇到了一个问题，就是器件的阻抗高并且不能期望高功率输出。
需要提供一种折衷解决办法，用于稳定在与光纤的光耦合中防止衰减所必需的横向模式，减小光束发散角和阻抗，和高功率输出，而不损失选择性氧化VCSEL的高发光效率和良好频率响应的特征。
许多建议的VCSEL意图控制振荡模式。例如，美国专利第5,940,422号描述了一种VCSEL，采用具有不同膜厚的两个区进行模式控制。该建议限定了膜厚度等于振荡促进区和振荡抑制区之间的1/4。
美国专利第5,963,576号公开了一种具有环形波导通路的VCSEL。在柱体的顶表面上形成圆形凹陷，和在凹陷周围设置环形发光区。
日本未审专利公开第2001-210908号公开了一种单横向模式半导体激光器，具有10μm或更大直径的电流供给通路，并且使得发光窗小于电流供给通路的直径。
但是，这些建议都没有满足用于多模光纤的光源的前述要求。即，没有实现在保持横向模式稳定性的同时具有小光束发散角，低阻抗，高功率，高效率和高频响应的激光器件。
发明内容
鉴于上述情况提出了本发明，并提供了一种表面发射半导体激光器以克服上述缺陷。
根据本发明的一个方面，表面发射半导体激光器具有：衬底，在其上形成有谐振器，谐振器包括下反射镜，有源区，和上反射镜；金属层，设置在上反射镜上并具有限定在有源区产生的激光的输出区的第一孔；和光限制区，设置在金属层和下反射镜之间并具有限定激光发光区的第二孔，第二孔具有等于或大于12μm的直径，第一孔具有比第二孔直径小1到5μm的直径，由发光区发射的激光具有多模，包括选自预定波长范围的多个次数。
根据本发明的另一方面，表面发射半导体器具有：衬底；设置在衬底上的第一导电类型的第一半导体反射层；设置在第一半导体反射层上用于产生激光的有源区；设置在有源区上的第二导电类型的第二半导体反射层；设置在第二半导体反射层上并具有激光输出孔的金属层；和置于第一和第二反射层之间且具有由高阻部分环绕的导电部分的电流收缩区，金属层的孔小于电流收缩区的导电部分，金属层的孔和电流收缩区的导电部分具有允许发射的多模激光通过金属层的孔的尺寸，除了关注的次数外，多模还包括在从关注次数的激光的最大输出电平到低于最大输出电平20dB的电平的范围内产生大于其它次数的光输出的不同于关注的次数的至多两个次数。
根据本发明的另一方面，表面发射半导体激光器具有：衬底；设置在衬底上的第一导电类型的第一半导体反射层；设置在第一半导体反射层上并产生激光的有源区；设置在有源区上的第二导电类型的第二半导体反射层；设置在第二半导体反射层上并具有激光发射孔的金属层；和设置在第一和第二半导体反射层之间并具有由高阻部分环绕的导电部分的电流收缩区，导电部分具有等于或大于12μm的直径，金属层的孔具有比导电部分的直径至少小1μm的直径，并允许多模激光。
附图说明
以下将参照附图详细说明本发明的优选实施例，其中：
图1A是根据本发明第一实施例的表面发射半导体激光器的截面图，截面图是沿着如图1B所示的X1-X1线截取的；
图1B是如图1A所示的半导体激光器的平面图；
图1C是如图1A所示的半导体激光器的部分的示意性透视图；
图2A是根据本发明第二实施例的表面发射半导体激光器的截面图；
图2B是如图2A所示的半导体激光器的示意性透视图；
图3A是根据本发明第三实施例的表面发射半导体激光器的截面图，截面图是沿着如图3B所示的X2-X2线截取的；
图3B是如图3A所示的半导体激光器的平面图；
图3C是如图3A所示的半导体激光器的部分的简图；
图4A和4B是显示根据本发明的第一实施例的表面发射半导体激光器的光输出—注入电流(L-I)特性中的上电极中的孔的直径(D1)的依赖性的图；
图5是显示根据本发明的第一实施例的表面发射半导体激光器的光输出—注入电流(L-I)特性中的上电极中的孔的直径(D1)的的依赖性的图；
图6A和6B是显示在远场图像中的依赖性(D1)的图；
图7A和7B是显示光束发散角和光谱宽度中的孔直径(D1)的依赖性的图；
图8A和8B是显示光束发散角和光谱宽度中的孔直径(D1)的依赖性的图；
图9A，9B和9C是显示在滤模效应存在/不存在的情况下光谱宽度的变化的图；
图10A，10B和10C是显示在滤模效应存在/不存在的情况下光谱宽度的变化的图；和
图11A和11B是在小信号频率响应中的孔角(D1)的依赖性的图。
具体实施方式
将给出根据本发明实施例的表面发射半导体激光器的说明。通过求解关于在光纤中的光传播特性的色散方程可以获得在VCSEL发光区中产生的光模。通常，VCSEL在线性偏振模中振荡。始于基模(表示为LP01)，随着重复的光分裂例如LP11和LP21继续振荡，并变化到光学可以容许的最高次数模。
以下文章报道了在每一模中获得的模型式(mode pattern)(电场强度分布)：Applied Optics，15卷第1期第239-243页。振荡继续到LP11模，其中LP11模的每一点被分裂成两点，继续到LP21模，其中LP01模的点被分裂成两点。接着，振荡发展到LP31，LP41和LP51模，其中LP01模的点被分别分裂成六，八，十。为了简化，LP01模有时称为基本(零次数)横模，LP11称为第一次数横向模式和LP21称为第二次数横向模式。
LP21之上的振荡模具有如把点有规律地设置在一个设想的圆上的拓扑性质。在实际的激光振荡中，存在许多其它的振荡模，用LPnm表示，其中n是等于或大于零的整数，m是自然数。激光振荡不允许任意的振荡模式，而是具有中心对称的重复型式。因此大体上，通过根据期望模形状向光发射区提供反射率或调制的分布可以容易地在期望模中选择性地产生振荡。
根据本发明的一个方面，提供了一种具有基于上述考虑的模控制的VCSEL。以下将参照附图详细说明这种VCSEL。
首先，将说明上金属层和光限制区之间的位置或数量关系，上金属层中第一孔用于横向模控制，光限制区限定了用于形成发射区的第二孔。
第一实施例
图1A是根据本发明第一实施例被氧化限制的VCSEL的截面图，图1B是VCSEL的平面图，图1C是可以看到内部结构的透视图。具体地说，图1A是沿图1B所示的线X1-X1截取的截面图。在图1C中，为了简化省略了某些结构元件。
表面发射半导体激光器包括n型GaAs衬底1，作为反射镜的n型下多层反射层2，未掺杂有源区3，p型AlAs层4，作为另一反射镜的p型上多层反射层5，p型接触层6，层间绝缘膜8，p型上电极9，n型背面电极10，发光区11，和光限制区12，光限制区12也用作电流收缩区。
这些层的叠层形成一个柱体(台或柱)形状。柱体结构具有如图1C所示的圆柱形状。在上电极9的顶部的中心形成用于限定发光区11的圆形孔9a。上电极9沿着柱体的侧表面从柱体的顶部延伸到柱的底部。虽未示出，如此延伸的电极与向其提供电流的电极焊盘部分连接。
通过从柱体的侧表面选择性氧化AlAs层4来形成光限制区12。通过控制自柱体侧壁的氧化距离，可以限定光限制区12的期望尺寸。原始的AlAs层4由光限制区4a环绕。图1C简要地描述了在平行于衬底1的平面上的中心形成的孔9a的直径D1和光限制区12的内径D2或AlAs层4的外径D2之间的关系。如随后的说明，优选地，孔的直径D1小于光限制区12的内径D2。优选地，孔9a和光限制区12的中心相互对准以便与柱体的光轴一致。
上电极9可以由Au-Zn/Au构成。通过热氧化作为上多层发射层5的最下层并邻近有源区的AlAs层获得了电流收缩区12。通过热氧化把AlAs层转变成Al2O3并用作高阻抗区或绝缘区。AlAs氧化层具有低折射率。
发明人实施了一个实验，其中相对由光限制区12限定的孔的四个直径D2(即，10μm，12μm，14μm和15μm)不同地改变孔9a的直径D1。接着，发明人测量了L-I-V(光输出，注入电流，和外加电压)特性，振荡光谱，远场图形和频率响应。
图4A和4B显示了激光器件的注入电流(mA)和所得光输出(mW)之间的关系，并显示了由光限制区限定的孔具有12μm和15μm的直径D2时，孔的直径D1的依赖性。从图4A和4B可以看出，随着直径D1减小，对于相同的注入电流，光输出减小。当孔直径D1减小到比孔直径D2大约小3μm时，发生光输出的明显减少。这可能是因为通过收缩直径D1使上电极9的增加区域遮住了从有源区3中的发光区发出的光。
图5显示了供给到激光器件的电流(mA)和所得光输出(mW)之间的关系。尤其是，图5显示了光限制区12的孔具有10μm的直径D2时，孔的直径D1的依赖性。孔9的直径D1以1μm为基础从10μm到15μm逐步地变化。从图5可以看出，对于光限制区12的10μm直径D2几乎观察不到孔9a的直径D1的依赖性。即，不管孔9a的直径D1多大，获得了几乎相同的光输出。
图6A和6B显示了在图5情况下观察到的远场图形。尤其是，图6A显示了当光限制区12限定的孔直径D2是12μm，孔9a的直径D1变化到8μm，9μm，10μm，12μm，14μm，16μm时观察到的远场图形。图6B显示了当孔直径D2是15μm，孔9a的直径D1如上述变化时观察到的远场图形。在图6A和6B中，横和纵轴代表光束发散角。远场图形反映出孔直径D1的依赖性比依赖于外加电流的光输出更明显。即，当直径D1是大约比直径D2小1μm时，光束发散角趋于更小。虽然没有清楚地表示，但实际的测量结果显示出在图6A的情况下(D2＝12μm)，对于12μm直径D1的远场图形具有在中心深图像(deep image)周围扩展并比10μm的直径D1获得的图像宽阔的淡图像(light image)。在图6B的情况下(D2＝15μm)，对于16μm直径D1的远场图形具有在中心深图像周围扩展并比14μm的直径D1获得的图像宽阔的图像。认为上述现象是因为通过收缩直径D1使得上电极9的增加区域遮住了从特定模中的发光区发出的光，而且因为在特定模中振荡的抑制减少了振荡模的数量。
通过测量如图7A，7B，8A和8B所示的光谱宽度的结果证实了上述观点。尤其是，图7A和7B分别显示了当光限制区12的直径D2是12μm和15μm时获得的实验结果，图8A和8B分别显示了当光限制区12的直径D2是10μm和14μm时获得的实验结果。在图7A，7B，8A和8B中，横轴代表孔9a的直径D1，在左侧的纵轴代表光束发散角(1/e2)。在右侧的纵轴代表光谱宽度(半峰时的全宽度：RMS(均方根)值)，圆形标记代表光束发散角，方形标记代表光谱宽度。光输出恒等于2mW。
如图7A所示，在由光限制区12限定的孔直径D2是12μm的情况下，光束发散角和光谱宽度都单调递减。如图7B所示，在由光限制区12限定的孔直径D2是15μm的情况下，光束发散角和光谱宽度都单调递减，但是光谱宽度在这一过程中变为快速增加。这可能是因为RMS测量自身和因为激光器性能的不连续变化。
如图8A所示，在由光限制区12限定的孔直径D2是10μm的情况下，不管孔直径D1的变化如何，光束发散角和光谱宽度都基本上是常数。这表明当孔直径D2变成等于大约10μm，小于12μm时，光束发散角和光谱宽度就不大取决于孔直径D1。如图8B所示，对于14μm的孔直径D2，随着孔直径D1的减小，光束发散角和光谱宽度都趋于减小。
光谱宽度取决于孔直径D1的变化被称作滤模效应，而且其来自于对包含在多模振荡的激光中的某些振荡模进行抑制的结果。如图9A，9B，和9C和图10A，10B和10C所示，光谱宽度的某些变化与滤模效应的存在/不存在相关联。
图9A显示了D1＝13μm，和D2＝13μm的情况，图9B显示了D1＝11μm，和D2＝15μm的情况。图9C显示了D1＝12μm，和D2＝15μm的情况。图10A显示了D1＝12μm，和D2＝14μm的情况，图10B显示了D1＝11μm，和D2＝14μm的情况。图10C显示了D1＝11μm，和D2＝13μm的情况。
如图9A所示，当孔直径D1和D2彼此相等时，光谱宽度是0.87nm那么大，高次数模的输出电平中出现小差异。如图9B所示，当孔直径D1是比孔直径D2小4μm时，光谱宽度减小到0.68nm，高次数模的输出电平减小。如图9C所示，当孔直径D1是比孔直径D2小3μm时，光谱宽度进而减小到0.49nm，并且零次数，第一次数，第二次数模的输出电平与其它高次数模相比明显突出。在这种情况下，存在从最大输出电平到一个比最大输出电平低20dB的电平的范围内的三种不同次数的模，而其它高次数模存在于该范围之外。
如图10A所示，当孔直径D1是比孔直径D2小2μm时，光谱宽度减小到0.36nm，并且激光输出包含在从最大输出电平到降低20dB的电平的范围内的三个连续次数的模(零次数，第一次数和第二次数模)。甚至在图10B和10C的情况下，光谱宽度分别等于0.31nm和0.25nm，并且三个连续次数的模存在于自最大输出电平的该给定范围内。如上所述，当孔直径D1充分大于孔直径D2时，随着模数量的增加光谱宽度增加。相反，当孔直径D1逐渐减小时，抑制了较高次数模的振荡并减小了光谱宽度。
由上述的实验结果总结出，随着孔直径D1变得更小，光束发散角和光谱宽度都减小，使得可以提高模的稳定性并可以提高耦合效率。但是，考虑到除了光束发散角和光谱宽度外，光输出与高频特性关系密切，应该确定孔直径D1和D2之间的优选数值关系。这是因为光输出随着孔直径D1减小而减小，以致可能抵消耦合效率的提高。
作为参考，本发明人从针对相同光输出观察的小信号频率响应特性的比较和评估中导出了优选数值关系。比较和评估的结果如图11A和11B所示。在如图11A所示具有12μm的孔直径D2的器件中，孔直径D1的依赖性小。器件在上金属层9中的孔直径D1等于16μm，远大于由光限制区12限定的孔直径D2，对于该器件当频率上升到高于7GHz时，仅观察到频率响应的小劣化。相反，对于具有15μm的孔直径D2的器件，当孔直径D2是8μm或9μm时，观察到频率响应明显地劣化。
当整体考虑上述结果时，可以获得以下结论。虽然在D2-D1≥1μm的条件下观察到光束发散角或光谱宽度的变化充分地减小，但小信号频率响应的比较显示出D2-D1≤5μm的条件是性能不会降低的界限。而且，此时在整个注入电流范围中获得的器件阻抗是大约50 Q那么低，使得器件满足低阻抗率的要求。
第二实施例
将说明根据本发明第二实施例的表面发射半导体激光器件。在本发明的上述第一实施例中，利用形成在上多层反射层5的表面上并用于横向模控制的上电极9作为通过其给器件供给电流的电极。相反，根据本发明的第二实施例，与上金属层分离地设置用于向器件供给注入电流的电极，因此上金属层仅用于横向模控制。而且，在衬底1的前表面上设置n侧电极，而不是在衬底1的背表面上设置n侧背面电极。在以下说明中，与前文中说明的相同的部分采用相同的参考标号。
图2A是根据本发明第二实施例的VCSEL的截面图。VCSEL包括用于横向模控制的上金属层21，p侧电极22和n侧电极23，还有未掺杂的GaAs衬底1，n型下多层反射层2，未掺杂有源区3，p型AlAs层4，上多层反射层5，p型接触层，层间绝缘膜8，发光区11和光限制区12。
其范围从上金属层21到接触层6的叠层具有柱体结构。在柱体叠层中在上多层反射层5和接触层6之间连接p侧电极22。在层间绝缘膜8上延伸p侧电极22，并与用于向器件供给注入电流的电极焊盘部分连接。通过蚀刻多层半导体层可以形成上多层反射层5。另选地，具有绝缘层叠层的电介质镜可以设置在p侧电极22上。
在半导体衬底1上n侧电极23通过在层间绝缘膜8和有源区3中形成的接触孔23a与下多层反射层2电连接。n侧电极23在层间绝缘膜8上延伸，与另一电极焊盘部分连接，为了简化没有显示该电极焊盘部分。p侧和n侧电极的抽取区被设置在同一侧上，这使得易于设置键合引线和形成金属凸点。
图2B是如图2A所示器件的透视图，为了看清器件的内部结构从图中省略了某些元件。第二实施例采用方形柱或矩形柱的柱体结构，而第一实施例采用圆柱的柱体结构。由上金属层21限定的孔具有直径D1，而D2代表由光限制区12环绕的导电部分的直径。在垂直于柱体结构的轴方向的方向上柱体结构的截面具有大致方形形状，对角线的长度是D2。关于上电极21用于提供注入电流的设计和柱体形状之间没有相互的依存关系。在第一实施例的柱体是方形或矩形柱体的变型与第二实施例的柱体是圆柱体的变型之间没有实质的差异。
第三实施例
将参照附图3A，3B和3C说明根据本发明的第三实施例的VCSEL。图3A是VCSEL的截面图，图3B是它的平面图，图3C说明了层中孔之间的关系。本实施例对应于第一实施例的变型，与其不同的是衬底上的柱体或叠层结构。尤其是，设置用于保护接触层6的表面和支持横向模控制的保护膜。第三实施例的其它部分与第一实施例的相应部分是相同的，与先前一样用相同的参考标号表示。
保护膜7由电介质材料构成并设置在柱体结构的接触层6上。保护膜7具有圆形形状，其中心最好与由光限制区12限定的孔中心和柱体结构的光轴对准。保护膜7的外径大于上电极9中孔9a的直径D1。上电极9的端部在保护膜7上延伸。图3C显示了上电极9的孔(D1)，保护膜7和由光限制区12限定的孔(D2)之间的关系。标号D3代表保护膜7的外部边缘部分与上电极9的端部重叠的重叠部分。
由此形成的保护膜7起到了增强横向模控制效果的作用。尤其是，在重叠部分D3中多层膜的反射率显著减小，由此与由上金属层9的单层进行横向模控制相比有效地减少了模的数量。
重叠部分D3的宽度与减少的模数量及上电极9中孔的直径D1和由光限制区12限定的孔的直径D3具有密切的关系。随着重叠长度D3的增加，模的数量趋于减少。但是，当存在D2＞D1+(2×D3)的条件时，将很快丧失减少模数量的效果。因此需要在三者之间选择合适的关系。
在晶体生长之后通过第一工序设置保护膜7。因此，保护膜7用于防止发光区11在处理过程中或在完成器件之后暴露于溶液或大气，因此保护膜7用于防止激光器件品质变坏。
将给出根据本发明的上述实施例的VCSEL的具体结构和这些VCSEL的制造方法的说明。
如图1A和1B所示，本发明第一实施例的VCSEL具有通过MOCVD(金属有机物化学气相沉积)在n型GaAs衬底1的(100)表面上依次层叠的下多层反射层2，有源区3，p型AlAs层4，上多层反射层5，和层6。下多层反射层2包括n型Al0.8Ga0.2As层和n-Al0.1Ga0.9As层的多层叠层。有源区3是隔离层，阻挡层和量子阱层的叠层。隔离层是未掺杂的Al0.4Ga0.6As层。阻挡层是未掺杂的Al0.2Ga0.8As层。量子阱层是未掺杂的GaAs层。上多层反射层5包括p型Al0.8Ga0.2As层和p-Al0.1Ga0.9As层的多层叠层。
下多层反射镜2是由多对n型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.3Ga0.7As层构成的。每层是λ/4nr厚，其中λ是振荡波长，nr是介质的折射率。具有不同组成比率的成对的层交替地层叠达到36.5周期的厚度。在掺杂n型杂质硅之后，下多层反射镜2的载流子浓度是3×1018cm-3。
有源区3具有叠层，其中8nm厚的未掺杂的GaAs层的量子阱有源层和5nm厚的未掺杂的Al0.2Ga0.8As层的阻挡层交替层叠，其中外层是阻挡层。上述叠层设置在未掺杂的Al0.4Ga0.6As隔离层的中心。设计包括量子阱有源层和阻挡层的隔离层，使其具有等于λ/nr的整数倍的厚度，其中λ是振荡波长，nr是介质的折射率。具有850nm波长的光从如此形成的有源区3射出。
上多层反射镜5是由多对p型Al0.8Ga0.2As层和p型Al0.1Ga0.9As层构成的。每层是λ/4nr厚，其中λ是振荡波长，nr是介质的折射率。具有不同组成比率的成对的层交替地层叠达到22周期的厚度。周期的数量包括下AlAs层和上接触层6。对于AlAs层4，仅通过AlAs形成具有λ/4nr厚的这一层不是必需的。相反，如果AlAs层太厚，可能增加光分布损失。考虑到上述情况，AlAs层4是30nm厚，剩余部分是Al0.9Ga0.1As。在掺杂p型杂质碳之后，下多层反射镜5的载流子浓度是5×1018cm-3。
上多层反射层5的周期数(层数)小于下多层反射层2是因为如此形成的差异造成光从衬底1的上侧发出。为了减小柱体中的串联阻抗，实践上，在上多层反射层5的p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.15Ga0.85As层之间插入中间(递变(graded))层，中间层具有介于Al0.8Ga0.2As层的Al组成比率和Al0.1Ga0.9As层的Al组成比率之间的Al组成比率。为了简明没有显示这种中间层。
作为p型GaAs层的接触层6具有20nm那样薄的厚度，并在作为p型杂质的锌被掺杂之后具有1×1019cm-3的载流子浓度。
从生长室中移出晶片或激光器衬底，晶片由依次在半导体衬底1上层叠的下多层反射镜2，有源区3，上多层反射镜5和接触层6构成。接着，各向异性蚀刻晶片以形成如图1B或1C所示的圆柱体。此时蚀刻深度到达部分有源区3的一部分。这是因为在通过随后的氧化工序形成光限制区12时，需要暴漏原始AlAs层4的侧表面。光限制区12也用作电流收缩区。对于选择性氧化激光器件，至少从柱体的侧表面暴露AlAs层4，并且蚀刻深度可以超过有源区3并延伸到下多层反射层3的一部分。
在上多层反射层5经过上述的台面(柱体)工序之后，在360℃把半导体衬底1暴露于具有包含氮的载气(流速：2l/分钟)的水蒸汽氛围40分钟，由此氧化了半导体衬底1。作为上多层反射层5m的一部分的AlAs层4具有比也是上多层反射层5的一部分的Al0.8Ga0.2As层或Al01Ga0.9As层高的氧化速率。因此，正好在作为主体一部分的有源区3之上形成反映柱体形状的AlAs氧化区。剩余的非氧化区用作电流注入区或导电区。即，氧化区是电流收缩区，此外因为氧化区具有大约等于外围半导体层折射率一半(～1.6)的折射率，它还用作光限制区12。通过上述工序，可以形成由光限制区12限定的孔(D2)。
此后，在衬底1的上表面上(包括柱体的侧表面)形成绝缘膜(例如二氧化硅)，并进行构图以暴露柱体上的仅接触层6的一部分。由此形成的绝缘膜是层间绝缘膜8。
接着，在柱体的顶部上设置p侧上电极9以与接触层6电接触。为了在上电极9的中心限定用于发光或模控制的孔9a，用构图的光刻胶膜除去上电极9。由此形成的孔9a具有反映柱体形状的圆形(D1)。
最后，在衬底1的背面上形成n侧背面电极10，由此可以获得如图1A到图1C所示的VCSEL。
将给出根据本发明第二实施例的VCSEL制造方法的说明。
如图2A和2B所示，本发明第二实施例的VCSEL具有通过MOCVD在n型GaAs衬底1的(100)表面上依次层叠的下多层反射层2，有源区3，p型AlAs层4，和层6。下多层反射层2包括多对n型Al0.8Ga0.2As层和n-Al0.1Ga0.9As层的叠层。有源区3是隔离层，阻挡层和量子阱层的叠层。隔离层是未掺杂的Al0.4Ga0.6As层。阻挡层是未掺杂的Al0.2Ga0.8As层。量子阱层是未掺杂的GaAs层。在掺杂n型杂质硅之后，AlAs层4是20nm厚并具有3×1018cm-3的载流子浓度。在掺杂p型杂质锌之后，p型GaAs接触层6是20nm厚并具有1×1019cm-3的载流子浓度
从生长室中移出在其上层叠有半导体层的晶片或激光器衬底，并蚀刻该叠层以具有矩形柱形状。在蚀刻中，由于随后的氧化工序，蚀刻深度到达有源区3，其中在氧化工序中为了限定电流收缩/光限制区12，自柱体的侧表面选择性地氧化AlAs层4。
把暴露AlAs层4的由叠层构成的矩形柱在360℃暴露于具有包含氮的载气(流速：21/分钟)的水蒸汽氛围40分钟，由此从柱体的侧表面氧化了暴露的AlAs层4。由此产生光限制区12。从柱体正上方的位置观察，光限制区12具有大致矩形平面形状，且它的对角线长度如图2B中孔直径D2所示。
此后，在衬底1的上表面上(包括柱体的暴露侧表面)形成绝缘膜8，然后为了形成p侧和n侧电极，蚀刻绝缘膜8。尤其是，蚀刻在柱体的底部上的绝缘膜8和有源区3以形成暴露下多层反射层2的接触孔23a。
接着，在柱体的顶部上形成环形p侧电极22以与接触层6电接触。同时在n侧电极23中形成接触孔23a以与下多层反射层2电接触。在p侧电极22中孔的直径大约等于或大于由光限制区12限定的孔的直径。
接着，淀积TiO2层和SiO2层的多层层叠的电介质多层膜24，而且通过搬离(liftoff)在衬底表面上柱体的中心部分形成上多层反射层24。与下多层反射层2中一样，每层具有λ/4nr的厚度。TiO2层和SiO2层相互层叠达到十周期的厚度。周期数不包括在下面的AlAs层4和接触层6。但是，上多层反射层24与AlAs层4和接触层6一起起作用。
最后，在柱体的顶部上形成由单Au层形成的用于模控制的上金属层21，并在其中心形成孔。由此，完成了如图2A和2B所示的VCSEL。上电极21不由Au构成，而是采用能够在近红外范围内很好地反射光，甚至以薄膜形式并规定在元素周期表中的金属。这种金属的实例是Ag，Ti，Pt，Ni，Mo，Cr或它们的合金。
本发明第三实施例的VCSEL具有通过MOCVD在n型GaAs衬底1的(100)表面上依次层叠的下多层反射层2，有源区3，p型AlAs层4，上多层反射层5，和层6。下多层反射层2包括成对的n型Al0.8Ga0.2As层和n-Al0.1Ga0.9As层的叠层。有源区3是隔离层，阻挡层和量子阱层的叠层。隔离层是未掺杂的Al0.4Ga0.6As层。阻挡层是未掺杂的Al0.2Ga0.8As层。量子阱层是未掺杂的GaAs层。上多层反射层5包括成对的p型Al0.8Ga0.2As层和p-Al0.1G0.9As层的叠层。
接着，通过RF溅射在衬底1的整个表面上淀积SiO2，并光刻SiO2形成具有14μm直径的圆形。由此成形的SiO2膜是保护膜7。随后的步骤与本发明的第一实施例的步骤相同，这里省略对它们的说明。
优选地，保护膜7具有等于λ/2nr整数倍的厚度，由此不会影响发射特性。但是，在实践中，一种相当大的可能就是在处理过程中可能减小膜的厚度。而且，如果最终的膜厚变得等于(2i+1)λ/4nr(i：整数)，可能影响谐振器的反射特性。应该考虑厚度的损耗仔细确定保护膜7的厚度。当采用SiO2时，估计λ/4nr的值是大约120nm(λ＝850nm的情况)。因此，可以淀积SiO2到大约10nm的非常小的厚度或大约240nm的非常大的厚度。
在发明的第一和第三实施例中，上多层反射层5是p型，下多层反射层2是n型。可以互换反射层2和5的极性并采用导电类型之一是具有低电导率本征型的布置，设想一个腔内型VCSEL。通常地，与n型层相比，有一个问题就是，由于带中断(禁带)和由自由载流子(自由电子)造成的大量光吸收，p型层具有大的器件阻抗。因此，形成p型上多层反射镜5的层数增加可能降低激光器的特性。从以上的观点，优选具有比n型多层反射镜2层数小的p型多层反射镜5的层数。
但是，从另一种观点，器件的阻抗与面积成反比例。因此，成形为柱体的上多层反射镜5可以作为增加器件阻抗的一个因素。因此，对于相同的面积，优选把n型上多层反射镜成形为柱体。因此，可以从多方面观点，包括发射方向，器件阻抗和与驱动电路的匹配，来确定上多层反射层5的导电类型。
在本发明的第一到第三实施例中，量子阱层由GaAs构成。但是，量子阱层不限于GaAs，还可以由III-V族化合物半导体例如AlGaAs，InGaAs或GaInNAs构成。
在本发明的第一到第三实施例中，MOCVD用于晶体生长。另选地，可以通过另一种方法例如MBE(分子束外延)层叠半导体层。
在本发明的第一到第三实施例中，上多层反射层用作发射层。可以在形成上多层反射层时通过控制膜生长条件把具有结合界面区的发射层结合到下层或内层。
最后，本发明的上述说明概括如下。
根据发明的一个方面，表面发射半导体激光器具有：衬底，其上形成有谐振器，谐振器包括下反射镜，有源区，和上反射镜；金属层，设置在上反射镜上并具有用于限定在有源区产生的激光的输出区的第一孔；和光限制区，设置在金属层和下反射镜之间并具有限定激光发光区的第二孔，第二孔具有等于或大于12μm的直径，第一孔具有比第二孔直径小1到5μm的直径，由发光区发射的激光具有多模，包括选自预定波长范围的多个次数。
金属层的第一孔的直径D1和由光限制区12限定的第二孔的直径D2之间的差值被设置为合适的值，即，第一孔的直径D1是比第二孔的直径D2小1到5μm。这控制了发射的激光的横向模并稳定了多模激光振荡。也就是说，金属层的第一孔抑制了特定模的发光。这基于的原理是：在发光区产生的特定振荡模的点被光输出区(第一孔)遮盖。这增加了光损耗并最终抑制了振荡的特定模。当第二孔的直径设置为等于或大于12μm，可以减小阈值电流并稳定多模振荡的激光和在给定范围内抑制其光束发散角和光谱宽度。这抑制了与光纤耦合效率的降低。
金属层可以由在元素周期表中规定的一种金属的材料构成。已知作为在近红外范围反射光的材料甚至是薄膜形式的一种金属，优选把这种金属用作反光材料。当孔用二维表示说明时，孔可以具有圆形，椭圆形，矩形，方形和多边形形状。孔的直径被定义为平面图形上连接两点的最长直线。另选地，孔的直径被定义为平面图形上每一连接两点的直线的平均值。
光限制区可以包括其折射率低于形成上和下反射镜的材料的折射率的材料。由此设定的光限制区形成折射率波导通路。这形成了用于在金属层和下反射镜之间限定发光区的光孔。在高速调制下，折射率波导型的激光器具有高频响应。
光限制区具有收缩电流的作用。也就是说，光限制区可以包括包含氧化的高阻抗部分的电流收缩区。通过利用这种用于光限制区形成的半导体氧化技术，不但可以减小折射率而且可以减小区域的导电率。这种氧化区是用于电流收缩/光限制的绝缘区。优选地，实施氧化的半导体层是由AlAs或AlGaAs构成。半导体层的选择性氧化产生了Al2O3基底绝缘物或高阻抗区。由此由于有效的电流收缩可以实现高倾斜(slope)效率和低阈值电流。
优选地，多模是线性偏振模并包括在其中的第一次数模或较高次数模。多模包括给定波长范围内激光的多个次数，和受抑制的光谱宽度和光束发散角。因此可以不降低与光纤耦合的效率而高效地传输光信号。
表面发射半导体激光器可以包括从上反射镜延伸到光限制区的柱体结构。光限制区包括一个通过从侧表面选择性氧化柱体所限定的区。由此形成的氧化区限定了第二孔的直径。因为从柱体的侧表面向内部推进的氧化，在柱体结构中的光限制区的第二孔优选是氧化区。
当柱体结构是近圆柱体时，第一和第二孔是优选圆形的。此外，第一和第二孔可以具有矩形，多边形或椭圆形截面的柱体。当第一和第二孔具有圆柱体(它的平面图形是圆或椭圆形)时，柱体结构的中心容易与孔的中心轴对准。附加的一个优点就是，自柱体侧表面的氧化距离易于变平并且可以准确地限定第二孔。
下反射镜可以包括第一导电类型的多层半导体层，上反射镜包括第二导电类型的多层半导体层。金属层与上反射镜电连接并用作一个通过其向上反射镜供给电流的电极。金属层用作一个用于注入激光振荡电流的电极，也控制发射的激光的横向模式。上反射镜可以包括接触层，为了减小与金属层的连接的阻抗(与接触层的欧姆接触)，接触层具有高杂质浓度。金属层可以由多种金属的合金或金属层的叠层构成。金属层可以包含选自Au，Ag，Pt，Ti，Ni，Mo和Cr组中的至少一种金属。
表面发射半导体激光器还可以包括置于上反射镜和光限制区之间的第一电极层，第一电极层具有与由光限制区限定的第二孔对准的第三孔。
上反射镜可以包括层叠在第一电极层上的电介质镜。通过在第一电极层上设置柱体或柱形状的电介质镜，可以实现与通过蚀刻多层半导体层限定柱体结构获得的另一类型柱体相比较低的柱体高度。通过包括蚀刻的比较容易的工艺可以制造具有电介质镜的柱体。
可以构造表面发射半导体激光器，使其还包括设置在上反射镜上的电介质材料保护层，其中保护层具有大于金属层第一孔直径的直径，而且金属层的端部位于保护层的外边缘部分上。在上反射镜上的保护层保护镜表面免于大气和蚀刻剂引起的污染和腐蚀。因为保护层由电介质构成，在金属层的端部覆盖保护层的位置，镜反射率显著降低。与仅由金属层控制横向模式的情况相比，这有效地减少了模的数量。电介质保护层的实例是二氧化硅层，并且最好具有比由光限制区限定的第二孔的直径小的直径。
表面发射半导体激光器可以如此构造：上反射镜包括具有相当高杂质浓度的接触层；并且金属层与接触层电连接。由此可以从衬底的同一表面抽取不同导电类型的电极并且便利于引线键合和用凸点连接。可以用倒装芯片连接来安装激光器件。当衬底由半导体物质构成时，可以在其背面上设置电极。
根据本发明的另一方面，表面发射半导体激光器包括：衬底；设置在衬底上的第一导电类型的第一半导体反射层；设置在第一半导体反射层上用于产生激光的有源区；设置在有源区上的第二导电类型的第二半导体反射层；设置在第二半导体反射层上并具有激光输出孔的金属层；和置于第一和第二反射层之间并具有由高阻部分环绕的导电部分的电流收缩区，金属层的孔小于电流收缩区的导电部分，金属层的孔和电流收缩区的导电部分具有允许发射的多模激光通过金属层的孔的尺寸，除了关注的次数外，多模还包括在从关注次数的激光的最大输出电平到低于最大输出电平20dB的电平的范围内产生大于其它次数的光输出的不同于关注的次数的至多两个次数。
这种结构可以实现具有增加的发射效率和频率响应和以低阈值电流稳定地发射高功率激光的激光器件。这种器件可以无显著衰减地与光纤耦合，适合于用作多模光纤的光源。
优选激光器是选择性氧化型的，电流收缩区的高阻部分是通过从柱的侧表面选择性氧化柱体获得的氧化区。导电部分由氧化区环绕。电流收缩区可以是AlAs层或AlGaAs层。除了上述材料，III-V族半导体材料可以用于电流收缩区。
多模可以包括在零次数，第一次数和第二次数模中振荡的激光。多模也可以包括在具有最大光输出的第一次数或第二次数模中振荡的激光。优选地，电流收缩区的导电部分设置为等于12μm到15μm和金属层的孔设置为等于11到12μm时，可以获得优良的模控制激光。
包含在多模中的多个次数激光具有等于或小于0.5nm的光谱宽度。通过使激光的多个次数经RMS方法可以获得光谱的宽度。0.5nm的光谱宽度实现了用于高效率多模型光纤的光源，由于脉冲传播和高传输能力，高效率多模型光纤具有很少量的编码错误。
金属层的孔具有比在电流收缩区限定导电层尺寸小3μm的直径的孔。这种设置在保持高频响应的同时能够发射多模振荡激光并实现了低阻抗和高功率。
根据本发明的另一方面，表面发射半导体激光器包括：衬底；设置在衬底上的第一导电类型的第一半导体反射层；设置在第一半导体反射层上并产生激光的有源区；设置在有源区上的第二导电类型的第二半导体反射层；设置在第二半导体反射层上并具有激光发射孔的金属层；和置于第一和第二半导体反射层之间并具有由高阻部分环绕的导电部分的电流收缩区，导电部分具有等于或大于12μm的直径，金属层的孔具有比导电部分的孔至少小1μm的直径，并允许多模激光。用上述结构，可以减小从金属层的孔发射的激光的光束发散角和由此减小在作为光通信光源的激光器件与光纤耦合的情况下的激光衰减。
优选地，激光束具有23度或更小的光束发散角。当电流收缩区的导电部分的直径是大约10μm时，即使金属层的孔减小1μm，光束发散角也不会显著扩大。
优选地，通过孔发射的激光可以在多模中振荡，并包含在零，第一和第二次数模中振荡的光。即使对多模激光器，也可以减小光束发散角，如此构造的激光器件可用于多模型光纤的光源。
本发明不局限于具体公开的实施例，不脱离本发明的范围可以作出其它实施例，变型和修改。

Claims (18)

1.一种表面发射半导体激光器，包括：
衬底，其上形成有谐振器，谐振器包括下反射镜，有源区，和上反射镜；
金属层，设置在上反射镜上并具有用于限定在有源区中产生的激光的输出区的第一孔；和
光限制区，设置在金属层和下反射镜之间并具有限定激光发光区的第二孔，
第二孔具有等于或大于12μm的直径，第一孔具有比第二孔直径小1到5μm的直径，
由发光区发射的激光是多模激光，包括选自预定波长范围内的多个次数。
2.如权利要求1所的表面发射半导体激光器，其中光限制区包括其折射率比形成上和下反射镜的材料的折射率低的材料。
3.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中光限制区包括一个包含氧化的高阻部分的电流收缩区。
4.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中：
表面发射半导体激光器包括从上反射镜延伸到光限制区的柱体结构；
光限制区包括通过自柱体的侧表面选择性氧化柱体来限定的区；和
由此形成的氧化区限定了第二孔的直径。
5.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中：
下反射镜包括第一导电类型的多层半导体层；
上反射镜包括第二导电类型的多层半导体层；和
金属层与上反射镜电连接并用作通过其向上反射镜供给电流的电极。
6.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，还包括置于上反射镜和光限制区之间的第一电极层，
第一电极层具有与光限制区的第二孔对准的第三孔。
7.如权利要求6所述的表面发射半导体激光器，其中上反射镜包括层叠在第一电极层上的电介质镜。
8.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，还包括设置在上反射镜上的电介质材料保护层，
其中保护层具有大于金属层第一孔直径的直径，并且金属层的端部位于保护层的外边缘部分上。
9.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中：
上反射镜包括具有较高杂质浓度的接触层；和
金属层与接触层电连接。
10.如权利要求8所述的表面发射半导体激光器，还包括设置在衬底上的第二电极，第二电极与第一导电类型的下反射镜电连接。
11.如权利要求1所述的表面发射半导体激光器，其中金属层包括一种包含Au，Ag，Pt，Ti，Ni，Mo和Cr中至少之一的金属材料。
12.一种表面发射半导体激光器，包括：
衬底；
设置在衬底上的第一导电类型的第一半导体反射层；
设置在第一半导体反射层上用于产生激光的有源区；
设置在有源区上的第二导电类型的第二半导体反射层；
设置在第二半导体反射层上并具有激光输出孔的金属层；和
置于第一和第二反射层之间并具有由高阻部分环绕的导电部分的电流收缩区，
金属层的孔小于电流收缩区的导电部分，
金属层的孔和电流收缩区的导电部分具有允许发射的多模激光通过金属层的孔的尺寸，
除了关注的次数外，多模还包括在从关注次数的激光的最大输出电平到低于最大输出电平20dB的电平的范围内产生大于其它次数的光输出的不同于关注次数的至多两个次数。
13.如权利要求12所述的表面发射半导体激光器，其中多模包括在第零，第一和第二次数模中振荡的激光。
14.如权利要求13所述的表面发射半导体激光器，其中多模包括在具有最大光输出的第二次数模中振荡的激光。
15.如权利要求12所述的表面发射半导体激光器，其中多模激光具有等于或小于0.5nm的光谱宽度。
16.如权利要求15所述的表面发射半导体激光器，其中金属层的孔具有比在电流收缩区中限定导电层尺寸的孔小3μm的直径。
17.一种表面发射半导体激光器，包括：
衬底；
设置在衬底上的第一导电类型的第一半导体反射层；
设置在第一半导体反射层上并产生激光的有源区；
设置在有源区上的第二导电类型的第二半导体反射层；
设置在第二半导体反射层上并具有激光发射孔的金属层；和
置于第一和第二反射层之间并具有由高阻部分环绕的导电部分的电流收缩区，
导电部分具有等于或大于12μm的直径，
金属层的孔具有比导电部分的孔至少小1μm的直径，并允许多模激光。
18.如权利要求17所述的表面发射半导体激光器，其中：
通过孔发射的激光在多模中振荡，并包含在第零，第一和第二次数模中振荡的光。
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