单模垂直腔面发射激光器及其制造方法.pdf

本发明公开了垂直腔面发射激光器(VCSEL)及其制造方法。一方面，VCSEL可用来在工作波长下产生单模激光。这种VCSEL包括光发射表面和整块纵向叠层结构。纵向叠层结构包括第一反射镜、第二反射镜和腔区。腔区设置在第一反射镜和第二反射镜之间，包括活性光产生区和腔延伸区。纵向叠层结构还包括离子注入电流抑制区。本发明还描述了包含上述VCSEL的VCSEL阵列以及制造上述VCSEL的方法。

1.  一种可用来在工作波长下产生单模激光的垂直腔面发射激光器，包括：
光发射表面；和
整块的纵向叠层结构，其包括：
第一反射镜，其对所述工作波长的光的光反射率为R₁，
第二反射镜，其对所述工作波长的光的光反射率为R₂，其中R₁和R₂的值不相同，一个大于99.9％，另一个小于99.7％，
腔区，其设置在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间，并包括活性光产生区和腔延伸区；
其中所述纵向叠层结构还包括离子注入电流抑制区，所述离子注入电流抑制区的特征为距离所述腔区的纵向距离大于0.5μm的纵向注入浓度峰。

2.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，还包括设置在所述光发射表面上并限定出孔隙的金属接头，其中所述离子注入电流抑制区限定出的电流孔隙大于所述金属接头的孔隙。

3.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中R₁和R₂都至少为99.5％。

4.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述腔延伸区的纵向光学厚度大于所述工作波长的2倍。

5.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述腔延伸区的纵向光学厚度小于所述工作波长的约20倍。

6.  如权利要求1所述的VCSEL，其中所述第一反射镜和所述第二反射镜中的每一个都分别包括不同折射率材料的交替层的叠层，所述交替层中的每个层的纵向光学厚度大致等于所述工作波长的1/4，并且不包括所述腔延伸区的所述腔区的纵向光学厚度基本等于所述工作波长。

7.  如权利要求6所述的垂直腔面发射激光器，其中所述腔延伸区邻接所述第一反射镜和第二反射镜的所述交替层的其中之一。

8.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述腔延伸区的纵向光学厚度大致等于所述工作波长的1/2的整数倍。

9.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述腔延伸区设置为邻接所述第二反射镜，并具有与所述第二反射镜叠层中的不同折射率材料的其中一种材料相同的组成。

10.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述腔延伸区设置在所述活性光产生区和所述第二反射镜之间。

11.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述腔延伸区的第一部分邻接所述第一反射镜，所述腔延伸区的第二部分邻接所述第二反射镜。

12.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述离子注入电流抑制区用纵向散布来表征，且纵向注入浓度峰距离所述腔区的纵向距离大于所述纵向散布的3倍。

13.  如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述电流抑制区限定出直径小于12微米的电流孔隙。

14.  两个或多个垂直腔面发射激光器组成的阵列，每个垂直腔面发射激光器包括：
光发射表面；和
整块的纵向叠层结构，其包括：
第一反射镜，其对所述工作波长的光的光反射率为R₁，
第二反射镜，其对所述工作波长的光的光反射率为R₂，其中R₁和R₂的值不相同，一个大于99.9％，另一个小于99.7％，
腔区，其设置在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间，并包括活性光产生区和腔延伸区；
其中所述纵向叠层结构还包括离子注入电流抑制区，所述离子注入电流抑制区的特征为距离所述腔区的纵向距离大于0.5μm的纵向注入浓度峰。

15.  一种制备垂直腔面发射激光器的方法，包括：
形成光发射表面和整块纵向叠层结构，所述整块纵向叠层结构包括：
第一反射镜，其对所述工作波长的光的光反射率为R₁，
第二反射镜，其对所述工作波长的光的光反射率为R₂，其中R₁和R₂的值不相同，一个大于99.9％，另一个小于99.7％，
腔区，其设置在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间，包括活性光产生区和腔延伸区；
其中所述纵向叠层结构还包括离子注入电流抑制区，所述离子注入电流抑制区的特征为距离所述腔区的纵向距离大于0.5μm的纵向注入浓度峰。

16.  如权利要求15所述的方法，还包括在所述光发射表面上形成限定出孔隙的金属接头的步骤，其中所述离子注入电流抑制区限定出的电流孔隙大于所述金属接头的孔隙。

17.  如权利要求15所述的方法，其中所述腔延伸区的纵向光学厚度大于所述工作波长的2倍并小于所述工作波长的约20倍。

18.  如权利要求15所述的方法，其中所述第一反射镜和第二反射镜中的每一个都分别包括不同折射率材料的交替层的叠层，所述交替层中的每个层的纵向光学厚度大致等于所述工作波长的1/4，并且不包括所述腔延伸区的所述腔区的纵向光学厚度基本等于所述工作波长。

19.  如权利要求18所述的方法，其中所述腔延伸区的纵向光学厚度大致等于所述工作波长的1/2的整数倍。

20.  如权利要求18所述的方法，其中所述腔延伸区设置为邻接所述第二反射镜，并具有与所述第二反射镜叠层中的不同折射率材料的其中一种材料相同的组成。

单模垂直腔面发射激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器，具体地涉及单模垂直腔面发射激光器及其制造方法。
背景技术
VCSEL(垂直腔面发射激光器)是由夹在一对高反射性的反射镜叠层之间的光活性半导体区域形成的激光器件，其中这种反射镜叠层可以由金属材料层、介电材料层或外延生长半导体材料层形成。通常，其中一个反射镜叠层的反射性能做得不如另一个，这样使得在这两个反射镜叠层之间形成的共振腔中产生的相干光的一部分可以优先从器件一侧发射出去。通常，VCSEL从共振腔的顶面或底面发射出光束发散相对较小的激光。VCSEL可以被布置成单个的、一维阵列或二维阵列，在晶片上进行测试，并易于结合到可耦合至光缆的光收发器模块内。
一般来说，VCSEL可以表征为增益导向型(gain-guided)VCSEL或折射率导向型(index-guided)VCSEL。注入型VCSEL是最普遍的商用增益导向型VCSEL。注入型VCSEL包括一个或多个限制电流并减少寄生的高电阻注入区。另一方面，氧化物VCSEL是最普遍的横向折射率导向型VCSEL。氧化物VCSEL包括限制电流和光的氧化层(和可能的注入区)。
用于单模操作和在一系列不同波长(例如650nm、850nm、980nm、1300nm和1550nm)下的多模操作的VCSEL和VCSEL阵列已被成功开发出来。
一般来说，对于单模VCSEL，人们期望能够在一规定工作条件范围内表现出单模行为，同时符合其他性能要求。一般来说，人们期望增大VCSEL产生的单模光功率。此外，人们期望减小VCSEL的串联电阻和VCSEL产生的输出光束的发散。人们还期望减小VCSEL受静电放电(ESD)的破坏。在一些现有方法中，高串联电阻和低ESD阈值都与小的电流孔隙(aperture)有关。
高注入电流是VCSEL产生高输出功率所必需的。但是，根据公知的光束控制效应，更高的注入电流，会引起输出光束发散；而这种光束控制效应源自VCSEL的横向模式与VCSEL波导结构中电流引起的折射率变化之间的相互作用。注入电流较低时，VCSEL通常以基本的(即最低级别)横向模式工作，并且波导结构中的折射率基本保持恒定。但是，注入电流更高时，由于欧姆加热和空间烧孔效应，模式结构将变得不稳定。这些变化允许更高级别的横向模式以更大的发散角度传播，导致VCSEL与用来传输来自VCSEL的光的相关光纤之间的耦合效率下降。对于注入型VCSEL，不同激光模式之间的混合经常作为VCSEL的光功率与注入电流之间的函数曲线(经常被称为“L-I”曲线)中的弯折(kink)而被检测到。
已增加VCSEL的电流孔隙尺寸来增加器件的输出光功率。更大的电流孔隙还减小了VCSEL的串联电阻。但是，更大的电流孔隙增加了更高级别的激光模式将传播并与基本模式混合的可能性。延伸的腔结构和光学反导向(anti-guiding)结构已被引入VCSEL的波导腔内，来抑制更高级别的激光模式。经常，这些结构的引入会增加VCSEL制备工艺的复杂性，并降低了其可靠性。
发明内容
本发明的特点在于单模垂直腔面发射激光器及其制造方法。
本发明的一方面，垂直腔面发射激光器(VCSEL)可用来在工作波长下产生单模激光。该VCSEL包括光发射表面和整块的纵向叠层结构。纵向叠层结构包括第一反射镜、第二反射镜和腔区。第一反射镜对工作波长的光的光反射率为R₁。第二反射镜对工作波长的光的光反射率为R₂，其中R₁和R₂的值各不相同，一个大于99.9％，另一个小于99.7％。腔区设置在第一反射镜和第二反射镜之间，包括活性光产生区和腔延伸区。该纵向叠层结构还包括离子注入电流抑制区，其特征为与所述腔区的纵向距离大于0.5μm的纵向注入浓度峰。
本发明的特点还在于包含上述VCSEL的VCSEL阵列。
本发明的另一个方面公开了制造上述VCSEL的方法，包括：形成光发射表面和整块纵向叠层结构，所述整块纵向叠层结构包括第一反射镜，其对所述工作波长的光的光反射率为R₁，第二反射镜，其对所述工作波长的光的光反射率为R₂，其中R₁和R₂的值不相同，一个大于99.9％，另一个小于99.7％，腔区，设置在所述第一反射镜和所述第二反射镜之间，包括活性光产生区和腔延伸区；以及将离子注入电流抑制区，所述电流抑制区的特征为与所述腔区地纵向距离大于0.5μm的纵向注入浓度峰。
从下面的描述，包括附图和权利要求，本发明的其他特征和优点将变得更明了。
图1是增益导向型VCSEL的横截面侧视图，其中VCSEL包括限定电流孔隙的离子注入区和设置在第一反射镜和第二反射镜之间的腔区。
图2是对于图1的VCSEL的示例性实施方式，注入浓度作为离腔区的距离的函数作图的曲线。
图3是另一种增益导向型VCSEL的截面侧视图，其中VCSEL包括具有邻近第一反射镜的第一部分和邻近第二反射镜的第二部分的腔延伸区。
图4是对于图1 VCSEL的不同实施方式，光功率(LOP)和电压(V)作为向前注入电流(电流)的函数作图的曲线。
图5是对于图1 VCSEL的实施方式，边模抑制比作为偏置电流的函数作图的曲线。
在下面的描述中，类似的标号用来标识类似的元件。而且，附图意在以图示的方式来说明示例性实施例的主要特征。附图并非意在描绘实际实施例的每个特征，也非描绘所绘元件的相对尺寸，并且没有按比例绘制。
I.VCSEL结构的概述
图1示出了平面增益导向型VCSEL 10的实施例，这种VCSEL可用来在工作波长(例如，波长650nm、850nm、980nm、1300nm和1550nm)下产生单模激光。这里所用的“单模激光”指其特征为具有边模抑制比(SMSR)大于30分贝(dB)的单个主强度峰的波长频谱的VCSEL 10的输出光。这里该单个主强度峰的波长称之为“工作波长”。
VCSEL 10具有沿纵向(Z)延伸的整块的叠层结构，包括夹在第一反射镜14和第二反射镜16之间的腔区12。整块的叠层结构形成在衬底18上。可选的缓冲层17可以生长在衬底18和整块叠层结构之间。第一反射镜14和第二反射镜16由特征为高电导率的材料层形成。腔区12包括活性光产生区19和腔延伸区26。活性区19包括夹在一对阻挡层22和24之间的一个或多个活性层20，活性层20可以包括例如一个或多个量子阱，或者一个或多个量子点。环状离子注入电流抑制区28设置在VCSEL 10的光发射表面30和腔区12之间。电流抑制区28对应于一环状区，其中这个区中的材料已被注入多层的第一反射镜14的离子(即质子)所破坏。注入离子导致的这种破坏使得经注入的反射镜材料转化为高电阻材料。电流抑制区28围绕着由未经注入(从而，基本未被破坏)的反射镜材料形成的电流孔隙32，该反射镜材料大致保持其最初的高电导率。在某些实施方式中，电流孔隙32的直径是自由空间中工作波长的约15倍。
第一环状电接头34形成在光发射表面30上。第二电接头36位于VCSEL 10的相对端。第一电接头34和第二电接头36使得VCSEL 10能被合适的驱动电路驱动。在操作中，工作电压被施加在电接头34和36上，来产生在VCSEL 10中流动的电流。一般来说，电流流过VCSEL结构的中心区，激光作用发生在腔区12的中心部分。第一反射镜叠层14中由离子注入区28所围绕的孔隙32横向地将载流子限制在VCSEL结构中心区。载流子受限源于抑制区28相对高的电阻率，这导致电流优先流过位于中间的孔隙32。这种横向载流子受限增加了活性区内的载流子密度，从而增加了活性区内产生光的效率。人们认为，电接头34充当光损导引机构，这样使得电接头34中的孔隙设定了由VCSEL 10发射的激光的分散角。在某些实施方式中，电接头34中的孔隙直径小于离子注入电流孔隙32的直径。
在所示实施例中，第一反射镜14和第二反射镜16的其中每一个都包括不同折射率材料的交替层的系统，这种系统形成了为规定的工作激光波长(例如在650nm-1650nm范围内的波长)而设计的分布式布拉格反射器(DBR)。例如，第一反射镜叠层14和第二反射镜叠层16可以由高铝含量的AlGaAs层和低铝含量的AlGaAs层的交替层形成。第一反射镜叠层14和第二反射镜叠层16的层的有效光学厚度(即层厚度与层的折射率的乘积)优选为工作激光波长的约1/4。衬底18可以由GaAs、InP、蓝宝石(Al₂O₃)或InGaAs形成，并且可以是未掺杂的、掺杂n型(例如用Si掺杂)或掺杂p型(例如用Zn掺杂)。位于最靠近光发射表面30的反射镜的反射性能做得不如另一个反射镜，这样使得在腔区12中产生的相干光的一部分优先通过光发射表面30发射出。
在这里所示实施例中，第一反射镜14和第二反射镜16被如此设计，使得激光从VCSEL 10的顶表面发射出。在其他实施例中，反射镜叠层14和16可以设计为使得激光从衬底18的底表面发射出。
第一阻挡层22和第二阻挡层24可以由根据活性层的材料组成而选择的材料形成。在某些实施方式中，活性层20和阻挡层22、24可以由AlInGaAs的各个不同组合物(即AlInGaAs、GaAs、AlGaAs和InGaAs)、InGaAsP的各个不同组合物(即InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP和GaP)、GaAsSb的各个不同组合物(即GaAsSb、GaAs和GaSb)、InGaAsN的各个不同组合物(即InGaAsN、GaAs、InGaAs、GaAsN和GaN)或AlInGaAsP的各个不同组合物(即AlInGaAsP、AlInGaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP和GaP)形成。其他量子阱层组合物也可以使用。腔延伸区26由对工作波长的光基本透明的、并能与VCSEL 10的其他层整体形成的材料形成。在某些实施方式中，腔延伸区26的形成材料与用来形成第一反射镜14和第二反射镜16的其中一个组成层的材料相同。
在某些实施方式中，活性区19的光学厚度大致等于VCSEL 10的工作波长。在这些实施方式中，腔延伸区26的纵向(Z)光学厚度大致等于VCSEL 10工作波长的1/2的整数倍。
VCSEL 10可以通过常规的外延生长工艺形成，例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)。
如以下将详细解释的，选择VCSEL 10的各种特征，使得VCSEL 10的实施方式具有相对高的单模输出光功率、相对低的串联电阻和相对平滑(不弯折的)的L-I曲线的特点。具体地，通过选择离子注入区28和腔区12之间的间隔、发光反射镜(例如在图1实施例中的第一反射镜14)的反射率和腔延伸区26的光学厚度，来获得改善的VCSEL性能以及具有生产复杂性降低、生产可靠性提高特点的器件。
注入深度
已观察到，注入区深度的减小(即离子注入区28和腔区12之间间隔的增加)会增加向前漏电流(即并非用来产生光的向前注入电流部分)，从而增加激光阈值电流水平。但是，对于这种VCSEL，已观察到所得的L-I曲线弯折更少。我们认为这种效应源自在更高的电流水平下，对向前注入电流的更好控制。注入区深度的减小还改善了穿过腔区12的电流的均一性，减少了电流拥挤，减小了热透镜效应，并降低了注入破坏延伸至活性层20从而不利地影响器件性能的可能性。
参照图1和2，通过将离子注入区设置在光发射表面30和腔区12之间的一位置处，即其中纵向注入浓度峰(C_p)位于距离腔区12纵向距离ΔZ_p的位置处，并且ΔZ_p大于0.5微米(μm)，VCSEL性能从而得以改善。
在某些实施方式中，离子注入区设置在光发射表面30和腔区12之间的一位置处，即其中纵向注入浓度峰(C_p)位于距离腔区12纵向距离ΔZ_p的位置处，而ΔZ_p大于离子注入区28的纵向散布(straggle，ΔZ_s)的3倍。纵向散布(ΔZ_s)是注入离子面积浓度关于离子横向(在X-Y平面上)面积浓度峰的标准偏差。以一种公式表示，纵向散布可用式(1)计算：

其中C(Z)是注入离子横向面积浓度(每单位面积的离子量)；是离子注入量，由公式(2)可得出：

发光反射镜反射率
已观察到，发光反射镜反射率的减小通过增加向前漏电流，增加激光阈值电流水平而降低了VCSEL 10的光生成效率。但是，如以上所解释的，已观察到漏电流增加导致的激光阈值电流水平增大会改善VCSEL的L-I特性曲线。此外，已观察到以这种方式减小发光反射镜的反射率会增加单模输出光功率。
通过配置发射光反射镜(例如VCSEL 10中的第一反射镜14)使其对工作波长的光的反射率优选为99.0％-99.9％的范围，更优选为99.3％-99.7％的范围，并配置非发光反射镜(例如VCSEL 10中的第二反射镜16)使其对工作波长的光的反射率大于99.9％，来改善VCSEL性能。
延伸的腔区厚度
通过配置腔延伸区26使其具有大于工作波长2倍的纵向(Z)厚度，来改善VCSEL性能。在某些实施方式中，腔延伸区的光学厚度小于工作波长的约20倍。
如图3中所示的，在某些实施例中，腔延伸区包括邻接第一反射镜14的第一部分42和邻接第二反射镜16的第二部分44。在其它方面，腔延伸区42和44与图1的VCSEL实施例中的腔延伸区26相同。
II.VCSEL 10的示例件实施方式
在某些VCSEL 10的示例性实施方式中，活性区19的纵向光学厚度基本等于工作波长，腔延伸区26的纵向光学厚度基本等于1/2工作波长的整数倍，并在工作波长的2倍-16倍范围内。第一反射镜14是DBR反射镜叠层，具有掺杂为p型的21对反射镜层；第二反射镜16是DBR反射镜叠层，具有掺杂为n型的40对反射镜层。激光波长在780nm-850nm之间，标称目标波长为840nm。DBR反射镜14和16分别由四分之一波长的名义上为Al_0.2Ga_0.8As叠层和Al_0.9Ga_0.1As叠层组成。高掺杂接触层和电流分布器置于第一p型DBR反射镜14顶上，以保证良好的接触和电流分布。
注入孔隙32的直径优选为小于12μm。由p型电接头34所限定的开口直径优选为小于10μm。在注入孔隙直径约为10μm的实施例中，由p型电接头所限定的开口直径约为6μm。n型电接头置于衬底18上。注入质子形成电流抑制区28的注入能量为190keV。使用单独的较深注入(直径为25μm)来限制通过结的横向漏电流。
根据延伸腔区的长度，对于高置偏电流，可获得DC(直流)操作下的单模激光(即边模抑制比(SMSR)大于30dB)。例如，对于具有厚度是工作波长10.5倍的、由对应于第二n型反射镜叠层16的第一层的材料形成的腔延伸区26的VCSEL，在约9mA的工作电流偏置和2.5V的工作电压偏置下已观察到不会发生模式切换的大于2.5mW的单模光输出。
图4示出了对于VCSEL 10示例性实施方式的不同实施方式，光功率(LOP)和电压(V)作为向前注入电流(电流)的函数作图的曲线。图5示出了对于图1的VCSEL实施方式，边模抑制比作为偏置电流的函数作图的曲线。
III.结论
总而言之，这里所述实施例以单模垂直腔面发射激光器(VCSEL)为特征，这些VCSEL包含一组用来改善单模输出光功率性能的特征。与直观认识相悖，这种特征组合会对特意的高漏电流的电流均一性和更低的发射反射镜反射率产生杠杆作用，这样提高了激光电流阈值，从而形成更高单模输出功率的VCSEL。这样允许形成电流孔隙更大(从而，静电放电阈值更低，串联电阻更低)、单模输出光功率更高的VCSEL。
其他实施方式也在权利要求的范围内。