CN1868099A - 具有结构化波导的面发射半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提高一种面发射半导体激光器的单模性能，所述激光器包括掩埋隧道结，且其中所述隧道结层(6)配备有孔径，该孔径具有一定的直径(w1)和一定的深度(d1)，同时该孔径被n掺杂电流输运层(7)覆盖，使得相邻的电流输运层(7)在孔径区域内配备有升高部分(15)，该升高部分具有升高部分直径(w2)和升高部分深度(d2)。所述目的通过这样的结构实现，其中，在电流输运层(7)上至少围绕所述升高部分(15)的横向区域提供结构化层(8；9)，选择所述结构化层(8；9)的厚度(d3；d4)，使得其光学厚度至少等于所述升高部分深度(d2)的区域中的电流输运层(7)的光学厚度。

Description

具有结构化波导的面发射半导体激光器
技术领域
本发明涉及具有结构化波导的面发射半导体激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)是垂直于半导体芯片表面产生光发射的半导体激光器。垂直腔面发射激光二极管较常规边发射激光二极管具有多个优点，例如，耗电量低，对晶片上的激光二极管直接探伤的可能性，与光纤耦合的简单可能性，单纵模光谱，以及将面发射激光二极管连接至二维矩阵的可能性。
在采用光纤的通信技术领域，由于与波长相关的弥散和吸收的原因，存在对波长范围大约为1.3到2μm，尤其是波长处于1.31μm或1.55μm左右的VCSEL的需求。过去，这一类型的长波长激光二极管由InP基化合物半导体构成。GaAs基VCSEL适于小于1.3μm的短波长范围。
可以将先前的解决方法做如下总结：
通过相应的波导的界定，可以在相当大的程度上影响激光二极管的横向射束轮廓。就发射波长小于1.3μm左右的GaAs基VCSEL而言，通过对Al(Ga)As层有选择地氧化制作波导(参考“Electrically Pumped 10 Gbit/sMOVPE Grown Monolithic 1.3μm VCSEL with GaInNAs Active Region”，ELECTRONICS LETTERS，Vol.38，No.7(28 March 2002)，pages 322 to 324)。
到目前为止，就功率、工作温度、单模功率和调制带宽而言，对于波长范围大于1.3μm的长波长VCSEL，最好的结果是通过InP基BTJ(掩埋隧道结)VCSEL获得的。
首先将参照图1，通过举例，对掩埋隧道接触的制造和结构予以说明。采用分子束外延(MBE)制造具有低带隙的高掺杂p+/n+层对101、102。在这两个层之间形成隧道接触103自身。通过反应离子蚀刻(RIE)构造圆形或椭圆形区域，所述圆形或椭圆形区域基本上由n+掺杂层102、隧道接触103和一部分或整个p+掺杂层101形成。在第二外延周期中，在这一区域上过生长n掺杂InP(层104)，从而“掩埋”隧道接触。过生长层104和p+掺杂层101之间的接触区域在施加电压时起着阻挡层的作用。电流通常以3×10-6Ωcm2的阻抗流过隧道接触。这样，能够将电流的流动限制在有源区108的实际区域内。在电流从高阻抗p掺杂层流至低阻抗n掺杂层时，所产生的热量也低。
如图2所示，隧道接触的过生长导致了位于其上的层厚度的微小变化，这对横向波导具有不利影响。促进了更高阶的横模的形成，尤其是在相对大的孔径当中。因此，尤其在光纤通信技术中，只能采用小孔径，以及相应的低激光功率实现所需的单模操作。
现在，将参照图2，以举例的形式，对InP基VCSEL的完整结构予以说明。
在这一结构当中，沿相反顺序排列掩埋隧道结(BTJ)，因此，有源区106位于p+掺杂层101和n+掺杂层102之间的隧道接触(直径DBTJ)之上。以箭头116表示激光照射的出射方向。以p掺杂层105(例如InAlAs)和n掺杂层108(例如InAlAs)围绕有源区106。位于有源区106上的引导侧镜109由外延DBR(分布布拉格反射器)构成，其包括大约35个InGa(Al)As/InAlAs层对，从而产生大约99.4％的反射率。拖尾侧镜112由作为DBR的介电层叠层构成，并由金层结束，由此产生大约99.75％的反射率。采用绝缘层113进行横向绝缘。在层104和接触层114之间提供环状构造的另一p侧接触层111。图2示出了一种方式，其中，过生长隧道接触的结构扩展(在这一情况下为向下)到其他层内。
与外延多层结构相比，介电镜112与一体化的接触层114和热沉115的组合导致了显著增大的热导率。电流通过接触层114或通过一体化的热沉115和n侧接触点110注入。想要了解有关此类VCSEL类型的制造和特性的更为详细的资料，可以专门查阅下述参考文献。
具有如图2所示结构的VCSEL构成了下述文献的主题：“Low-ThresholdIndex-Guided 1.5μm Long-Wavelength Vertical-CaVity Surface-Emitting Laserwith High Efficiency”，Applied Physics Letters，Vol.76，No.16(17 April 2000)，pages 2179 to 2181。在下述文献中给出了输出功率高达7mW(20℃，CW)的相同类型VCSEL：“Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser Diodes at 1.55μmwith Large Output Power and High Operation Temperature”，Electronics Letters，Vol.37，No.21(11 October 2001)，pages 1295 to 1296。文献“90℃Continuous-Wave Operation of 1.83-μm Vertical-Cavity Surface-EmittingLasers”，IEEE Photonics Technology Letters，Vol.12，No.11(November 2000)，pages 1435 to 1437，涉及1.83-μm InGaAlAs-InP VCSEL。“High-Speed DataTransmission with 1.55μm Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers”，Post-Deadline Papers，28th European Conference on Optical Communication(8 to12 September 2002)讨论了在高达10Gbit/s的调制频率下采用BTJ-VCSEL进行无误差数据传输。最后，可以从下述文献了解具有2.01μm(CW)的发射波长的VCSEL：“Electrically Pumped Room Temperature CW-VCSELs withEmission Wavelengths of 2μm”，Electronics Letters，Vol.39，No.1(9January2003)，pages 57 to 58。
与发射波长小于1.3μm的GaAS基VCSEL相反，可能不在所讨论的BTJ-VCSEL中采用横向氧化方法，因为所采用的材料具有过低的铝含量，其他能够想到的材料，例如AlAsSb，到目前为止无法得到具备足够高质量的氧化物层。在上文讨论的BTJ-VCSEL中，通过谐振腔的长度的横向变化相应产生了由所述生产过程导致的横向波导。作为其替代选择，例如，已经在其它长波长VCSEL设计中采用了有选择地蚀刻掉的层(参见“1.55-μmImP-lattice-matched VCSELs with AlGaAsSb-AlAsSb DBRs”，IEEE Journal onSelected Topics in Quantum Electronics，Vol.7，No.2(March/April 2001)，pages224 to 230)，质子注入(参见“Metamorphic DBR and Tunnel-Junction Injection：a CW RT Monolithic Long-Wavelength VCSEL”，IEEE Journal on SelectedTopics in Quantum Electronics，Vol.5，No.3(May/June 1999)，pages 520 to529)或有选择地氧化的变质AlAs层(参见“1.5-1.6μm VCSEL for MetroWDM Applications”，2001 International Conference on Indium Phosphide andRelated Materials，Conference Proceedings，13th IPRM(14 to 18 May 2001)，Nara，Japan)。
发明内容
因此，本发明的目的在于以较弱的指数导引或增益导引替代(就BTJ-VCSEL而言)通常强固并且促进多模工作的指数导引，以及可选地抑制更高阶的横向模。横模轮廓的调整应当允许单模工作，即使在所具有的单模功率比在常规BTJ-VCSEL中高的大孔径当中。
所述目的是通过所要求保护的根据本发明的面发射半导体激光器实现的。进一步的配置将通过相应的子权利要求和下述说明而呈现出来。
本发明提出了一种面发射半导体激光器，其包括有源区，所述有源区具有pn结并且由第一n掺杂半导体层和至少一个p掺杂半导体层围绕，以及位于所述有源区的p侧上的隧道接触层，其中，所述隧道接触层包括具有孔径直径和孔径深度的孔径并且被n掺杂电流输运层覆盖，因此，相邻的电流输运层在孔径区域内包括具有升高部分直径和升高部分深度的升高部分，以及结构化层，对所述结构化层的厚度进行选择，所采用的方式是至少围绕所述升高部分的横向区域，使在所述电流输运层上提供的所述结构化层的光学厚度至少等于升高部分深度的区域内的电流输运层的光学厚度。
为了加深对本发明的理解，将首先描述公知的一般面发射半导体激光器结构的情形，诸如在说明书引言部分中详细说明的结构。因此参考图3，其示意性地且不成比例地示出了已知的一般面发射半导体激光器结构的情形。该图示出了电流输运层7和n掺杂接触层8之间的边界线区域，一般通过接触层8供应电流且优选在层7上由高度n掺杂InGaAs生长厚度为d3的层8。升高部分由15表示，由隧道接触的过生长形成，在层7中的厚度为d2(＝升高部分的深度)。常规在外延步骤中施加接触层8并通过在升高部分15的区域中的选择性蚀刻将其除去。结构化的接触层8一般具有50到100nm的厚度d3，从而确保低的接触电阻，而且，在其内部边缘处，与隧道接触升高部分15之间的距离为几个微米(典型值为4到5μm)。在图示的结构中，谐振腔中心的长度比升高部分15之外的区域大d2。中心的有效折射指数比外围区域高(典型地高1％)，于是实现强指数导引。这有利于形成高阶模，尤其是在大孔径的情况下。
为了弱化折射率导引，因此本发明提出，至少在升高部分15的横向区域周围施加结构化层，其光学厚度至少等于电流输运层7在升高部分15的区域中的光学厚度，即，等于厚度为d2的升高部分15的光学厚度。因此，根据本发明的结构化层补偿了升高部分15的中心和外围区域之间的折射率差，结果显著减弱了折射率导引。
因此根据本发明的结构化层必须或者邻近升高部分15或者在距升高部分一定最大距离之内。已经发现该最大距离应当不大于2μm，但是优选为不大于1μm。因此，该最大距离对应于之前(可选)接触层8到升高部分15的外边缘的典型距离(参考图3)的40％到50％，优选为20％到25％。
已经证明，如果根据本发明的结构化层是n掺杂接触层是有利的。
这种类型的接触层本来就从现有技术中已知(参见图3)。在该实施例中，因此接触层的厚度是这样的，使其光学厚度例如等于升高部分15的深度d2的区域(参见图3)中的电流输运层的光学厚度，其中，为了充分地影响光场，接触层应当距升高部分不大于1到2μm。
在另一实施例中，为根据本发明的结构化层独立提供任选的接触层。可以自由选择制造所述结构化层的材料，且该层优选直接相邻电流输运层中的升高部分，其中同样的原理适用于距升高部分的任何距离，和适用于该结构化层关于作为结构化层的接触层的厚度。具体而言，可以使用自由选择材料来更为强烈地在孔径边缘抑制由其在外围区域的更强场扩展所致的更高阶模，于是防止了这些模式振荡。通常对每一波长具有显著吸收效应的材料都适用于这一目的。对于1.3和1.55μm之间的波长，非晶硅尤其适合。举例来说，钛适用于整个常规波长范围。
在前述实施例中，还可提供围绕根据本发明的结构化层的接触层。所述接触层的几何形状基本上是可以自由选择的，因为波导效应已经得到了根据本发明的结构化层的补偿。
已经发现，本发明不仅能够减弱折射率导引，还能够变换折射率导引，从而产生反导引效应，这也消除了更高阶模式。因此选择根据本发明的结构化层的(光学)厚度，使其显著大于由隧道接触导致的升高部分的深度。于是在外围区域中制造出升高部分，其中，如果结构化层具有吸收效应，就更有效地消除了高阶模。在具有反导引效应的该实施例中，所用的结构化层可以再次是n掺杂接触层，或者是材料可以自由选择的、作为结构化层的层与任选的附加接触层的组合。
附图说明
以下将参考附图中所示的各实施例更加详细地描述本发明，附图中：
图1是已知面发射半导体激光器中掩埋隧道接触的结构示意图；
图2是通过实例所知的面发射半导体激光器的完整结构的示意图；
图3是与接触层和电流输运层相关的面发射半导体激光器的已知结构中的条件的示意图；
图4示出了在制造根据本发明的面发射半导体激光器的过程中形成的结构化构造；
图5是作为根据本发明的结构化层的接触层的结构的示意图；
图6示出了另一实施例，其中紧靠接触层提供了作为根据本发明的结构化层的附加层；
图7示出了具有反导引效应的另一实施例；以及
最后，图8示出了根据本发明制造的面发射半导体激光器的实施例。
以图1到图3作为本说明书上文部分的参考。
具体实施方式
图4示出了在面发射半导体激光器的制造过程中形成的结构的实例，例如在下文中将对其予以说明。从InP衬底1开始，在第一外延生长过程中依次施加n掺杂外延布拉格反射镜2、n掺杂限制层3、有源区4和p掺杂限制层5。所述结构是通过隧道接触层6的生长完成的，例如，在所有情况下，所述隧道接触层6均由高度p+掺杂和n+掺杂InGaAs层构成。在接下来的光刻和蚀刻过程中形成一孔径，可以自由选择所述孔径的尺寸，所述孔径或者延伸至层5或者终止于层6的p掺杂部分之内。在这一情况下，典型的蚀刻深度为20nm。
在第二外延步骤中，生长优选由InP构成的上部n掺杂电流供应层7和优选由高度n掺杂InGaAs构成的可选n接触层8，生长厚度为d3。在此第二外延步骤中，可以根据过程参数或根据外延方法(例如MBE(分子束外延)、CBE(化学束外延)或MOVPE(金属有机气相外延))修改或保持横向半轴比率。例如，通过修改产生先前圆形隧道接触的椭圆孔径。
结果如图4所示，其中，例如，将直径为w1的圆形孔径作为通过光刻限定的具有蚀刻深度d1的孔径，在过生长过程之后，其具有直径w2，高度为d2。值w2和d2通常对应于起始数据w1和d1。
应当明确指出，也可以在除了圆形孔径之外的孔径内应用本发明，因此，在描述中采用的术语“直径”或“半径”不起任何限定为圆形孔径几何形状的作用。也可能采用多角形、椭圆形或任何其他几何图形，其中，可以将本发明容易地转换至这样的几何图形当中。
现在，从图4所示的结构开始，将在图5中示出在对接触层8进行选择性蚀刻之后得到的结构，其作为第一实施例。在这一情况下，接触层8起着根据本发明的结构化层的作用。例如，对接触层的厚度d3进行选择，从而完成对波导效应的补偿，所采用的方式是，其光学厚度对应于层7的蚀刻深度d2的区域内的光学厚度。之后，取得几乎为面平行的布置。在特定区域内，几乎可以以任何预期的方式调整蚀刻直径w3。但是，为了对光场产生足够的影响，所述半径应通常至多比隧道接触的半径大1μm。其他有利的最大距离包括0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9μm。
图5清晰地示出了与图3所示的现有技术条件相比通过本发明取得的不同条件。根据本发明的结构化引起了从孔径中央到外侧区域的有效折射率的平坦化，因此，由弱折射率导引替代了图3所示的强折射率导引。
图6示出了根据本发明的波导结构的另一实施例。在这一布置中，只是可选地提供接触层8，在这一情况下，可以采用与上述方式类似的方式对其进行有选择地结构化，其开口直径为w3。在这一情况下，通过附加层9影响波导特性，所述附加层9可以由自由选择的材料构成，其具有内径w4和外径w5，并且，例如，通过蚀刻工艺或浮脱方法得到结构化。与图5中将接触层作为结构化层的情况一样，对关键性的厚度d4和内径w4的尺寸采用相同的原理。这一实施例的优点是对结构化层9的材料自由选择。具体而言，这可以用于更为强烈地抑制通常在孔径的边缘具有最大值的高阶模，从而防止这些模的振荡。非晶硅是层9的适用材料。
最后，图7示出了根据本发明的波导结构的第三实施例，其具有反导引效应。这一实施例与图5中的描述类似，但是，在这一情况下，对作为结构化层的接触层8的厚度d3进行选择，从而使其显著大于隧道接触的升高部分深度d2或蚀刻深度d1。这导致了外侧区域的加高，从而导致了反导引效应，并去除了高阶模。如果层8具有吸收效应，那么所述模的去除将更为有效。还可以将图7中所示的这一实施例与图6中所示的结构相结合。在这种情况下，至少层9包括图示的升高部分。
图8示出了根据本发明的完成的BTJ-VCSEL，在本说明书的引言部分已经参照图2对用于形成完成的半导体激光器的根据本发明的结构的其他加工过程进行了详细说明。与根据图4的结构中相同的附图标记表示相同的层。在这种情况下，整个去除InP 1衬底。替代地，将n侧接触14附着于电流供应装置，例如，所述n侧接触14由Ti/Pt/Au构成。图8所示的半导体激光器的波导结构对应于来自图5的结构，其接触层8与升高部分15相邻。10表示绝缘和钝化层，11为p侧接触(例如Ti/Pt/Au)，12为介质镜，13为集成热沉。
本发明实现了具有高单模功率的BTJ-VCSEL的制造。可以放大孔径直径以增大功率，而不激励高阶模。

Claims (10)

1.一种面发射半导体激光器，包括：有源区(4)，所述有源区具有pn结和被第一n掺杂半导体层(3)和至少一个p掺杂半导体层(5)所包围；以及所述有源区(4)的p侧上的隧道接触层(6)，其中所述隧道接触层(6)包括具有孔径直径(w1)和孔径深度(d1)的孔径并被n掺杂电流输运层(7)覆盖，于是相邻的电流输运层(7)在所述孔径的区域内包括具有升高部分直径(w2)和升高部分深度(d2)的升高部分(15)，在所述电流输运层(7)上至少围绕所述升高部分(15)的横向区域提供结构化层(8；9)，选择结构化层(8；9)的厚度(d3；d4)，使得所述结构化层的光学厚度至少等于所述升高部分深度(d2)的区域中的所述电流输运层(7)的光学厚度。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述结构化层(8；9)的内径(w3；w4)大于或等于所述升高部分(15)的直径(w2)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的半导体激光器，其特征在于，所述内径(w3，w4)的一半大于所述升高部分(15)的直径(w2)的一半，最大为2μm，优选最大为1μm。
4.根据权利要求1到3的任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述结构化层(8)为n掺杂接触层(8)。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述结构化层(8)由n掺杂InGaAs构成。
6.根据权利要求1到3的任一项所述的半导体激光器，其特征在于，所述结构化层(9)由对所述半导体激光器的每一波长具有显著吸收效应的材料构成。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，将非晶硅用作所述材料，尤其是在1.3到1.55μm的波长范围内。
8.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，将钛用作所述材料。
9.根据权利要求1到3或6到8的任一项所述的半导体激光器，其特征在于邻近所述结构化层(9)提供n掺杂接触层(8)，所述接触层(8)横向围绕所述结构化层(9)。
10.根据权利要求1或权利要求9所述的半导体激光器，其特征在于，所述结构化层(8；9)和/或所述接触层(8)的厚度为所述升高部分(15)的深度(d2)的倍数。
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