專利名稱：矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電子集成器件，特別是一種新型矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件。
背景技術(shù)：
二維陣列的平行光技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。用二維平行光束來處理二維圖像信息時(shí)，不必變換成時(shí)序信號(hào)，可以提高處理速度；可以發(fā)展超寬帶光纖通信；可以實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模集成電路的光互連；有可能成為未來計(jì)算機(jī)并行處理及空間光學(xué)中的關(guān)鍵技術(shù)與器件。邊發(fā)射激光器(包括FP、DFB類型的邊發(fā)射激光器)無法實(shí)現(xiàn)單片集成的二維陣列，而面發(fā)射激光器的光是垂直于基片向上發(fā)射，有可能實(shí)現(xiàn)單片集成的二維陣列。
面發(fā)射激光器有三種基本結(jié)構(gòu)，第一種是利用現(xiàn)有的邊發(fā)射激光器的工藝結(jié)構(gòu)，采用45°角傾斜的反射鏡將光方向改變到垂直出射。第二種也是利用現(xiàn)有的邊發(fā)射激光器的工藝結(jié)構(gòu)，利用高階光柵將光耦合到垂直輸出。第三種則是利用垂直腔結(jié)構(gòu)，有源區(qū)兩側(cè)的包層采用高反射率的鏡面使光垂直發(fā)射。第一種結(jié)構(gòu)工藝制作困難，第二種結(jié)構(gòu)由于發(fā)射光大部分進(jìn)入襯底而使效率很低。第三種結(jié)構(gòu)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)低閾值、高微分量子效率；光束發(fā)散角小，光斑呈近似圓形，容易與光纖和其他光學(xué)器件耦合；動(dòng)態(tài)單模特性和空間發(fā)射模特性好；側(cè)向尺寸很小，有可能制造尺寸較大的高密度單片集成二維陣列，因此，垂直腔面發(fā)射激光器是最有發(fā)展前途和最有實(shí)用價(jià)值的面發(fā)射激光器。而半導(dǎo)體布拉格反射器(布拉格反射鏡)由于具有跟有源區(qū)材料兼容性好的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于垂直腔面發(fā)射激光器的制作。
跟邊發(fā)射激光器一樣，傳統(tǒng)垂直腔面發(fā)射激光器的電流注入，是垂直注入方式。這種注入方式有一個(gè)缺點(diǎn)，就是由于布拉格反射鏡的電阻比較大，電流流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，致使布拉格反射鏡溫度升高，折射率變化，導(dǎo)致峰值反射率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)漂移，影響垂直腔面發(fā)射激光器的激射特性。在長(zhǎng)波長(zhǎng)垂直腔面發(fā)射激光器中，這個(gè)問題尤為嚴(yán)重，因?yàn)殚L(zhǎng)波長(zhǎng)激光器的布拉格反射鏡層數(shù)較多、電阻較大。而采用腔內(nèi)電極，電流水平注入有源區(qū)，可以有效解決這一問題。文獻(xiàn)InAs-InGaAs quantumdot VCSEL on GaAs substrates emitting at 1.3μm，Electronics Letter 36(2000)，pp 1384-1385有過報(bào)道。采用腔內(nèi)電極還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是布拉格反射鏡可以采用半導(dǎo)體材料/半導(dǎo)體材料的氧化物結(jié)構(gòu)，由于這種結(jié)構(gòu)的兩種材料的折射率差較大，可以減少所需布拉格反射鏡的層數(shù)。
垂直腔面發(fā)射激光器的二維陣列按其尋址方式分，有獨(dú)立尋址和矩陣尋址兩種。獨(dú)立尋址陣列制造工藝簡(jiǎn)單，均勻性和成品率可以很高，但是由于每一個(gè)單元由需要一個(gè)獨(dú)立的引線控制，一個(gè)n×m的陣列需要引線n×m條，而受芯片面積限制，引線數(shù)目不可能太多，陣列單元的數(shù)目也就不可能太多。文獻(xiàn)Ultralow-threshold sapphire substrate-bonded top-emitting 850-nm VCSEL array Liu，J.J.；Riely，B.；Shen，P.H.；Das，N.；Newman，P.；Chang，W.；Simonis，G.；Photonics Technology Letters，IEEE，Volume14 Issue9，Sep 2002 Page(s)1234-1236上有報(bào)道。而矩陣尋址采用行地址和列地址共同控制的方式，一個(gè)n×m的陣列只需要引線n+m條，所以能集成更多數(shù)目的單元。但是矩陣尋址陣列的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不容易實(shí)現(xiàn)。
矩陣尋址陣列制作的難點(diǎn)之一在于其n電極的制作?，F(xiàn)有矩陣尋址陣列n電極的隔離大體上有下面幾種方法刻蝕深槽隔離；刻蝕深槽并在深槽中填充聚酰亞胺隔離；離子注入隔離。外延層一般都是在半絕緣襯底上生長(zhǎng)。最近開始出現(xiàn)利用鍵合技術(shù)，把器件制作在絕緣襯底上。文獻(xiàn)Fabrication of 12×12 matrix-addressed 780nm oxide-confinedVCSEL arrays Nakayama，H.；Nakmaura，T.；Sakurai，J.；Ueki，N.；Otoma，H.；Miyamoto，Y.；Yamamoto，M.；Ishii，R.；Yoshikawa，M.；Fuse，M.；BroadbandOptical Networks and TechnologiesAn Emerging Reality/OpticalMEMS/Smart Pixels/Organic Optics and Optoelectronics.1998IEEE/LEOS Summer Topical Meetings，20-24 July 1998 Page(s)IV/5-IV/6和文獻(xiàn)Fabrication and Performance of Two-DimensionalMatrix Addressable Arrays of Integrated Vertical Cavity Lasers and ResonantCavity Photodetectors，Kent M.Geib，Kent D.Choquette，Senior Member，IEEE，Darwin K.Serkland，Member，IEEE，Andrew A.Allerman，and Terry W.Hargett，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.8，No.4，July/August 2002上有報(bào)道。目前的這幾種制作方法都有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，即對(duì)工藝要求比較高，工藝難度大而且可靠性和可重復(fù)性都很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其具有制作簡(jiǎn)單、性能可靠和成本低的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案為本發(fā)明一種矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，包括以下基本結(jié)構(gòu)共m×n個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器單元；其中所述的垂直腔面發(fā)射激光器單元包括尺寸依次遞減的三個(gè)臺(tái)底反射鏡臺(tái)、光腔臺(tái)、和頂反射鏡臺(tái)，還有p電極和n電極；該底反射鏡臺(tái)包括一半絕緣襯底；一下半導(dǎo)體/半導(dǎo)體氧化物布拉格反射鏡，該布拉格反射鏡制作在襯底上表面，為載流子復(fù)合產(chǎn)生的光子提供垂直反射鏡面，同時(shí)隔離陣列各行n電流；一n型重?fù)诫s導(dǎo)電層，該n型導(dǎo)電層制作在下布拉格反射鏡上，以提供n電流的側(cè)向注入通道；該光腔臺(tái)包括
一n型摻雜下含鋁層；一不摻雜下限制層，該限制層制作在下含鋁層上，以提供載流子限制；一不摻雜有源層，該有源層制作在下限制層上，載流子在其中復(fù)合發(fā)光；一不摻雜上限制層，該上限制層制作在有源層上，以提供載流子限制；一p型摻雜上含鋁層，該上含鋁層制作在上限制層上，并且被部分氧化，為注入p電流提供側(cè)向限制；一p型重?fù)诫s導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層制作在上含鋁層上，以提供p電流的側(cè)向注入通道；該頂反射鏡臺(tái)包括一上半導(dǎo)體/半導(dǎo)體氧化物布拉格反射鏡，該布拉格反射鏡制作在p型重?fù)诫s導(dǎo)電層上，為載流子復(fù)合產(chǎn)生的光子提供垂直反射鏡面，同時(shí)隔離陣列各行p電流；該p型電極呈環(huán)形，制作在p型重?fù)诫s導(dǎo)電層上、頂反射鏡臺(tái)周圍，且每行垂直腔面發(fā)射激光器單元的p電極相連；該n型電極呈環(huán)形，制作在n型重?fù)诫s導(dǎo)電層上、光腔臺(tái)周圍，且每列垂直腔面發(fā)射激光器單元的n電極相連。
其中所述的p型重?fù)诫s導(dǎo)電層和n型重?fù)诫s導(dǎo)電層，為了能夠向有源區(qū)充分提供載流子，其厚度為0.75倍等效波長(zhǎng)，或1.25倍等效波長(zhǎng)，1.75倍等效波長(zhǎng)。
其中所述的n型摻雜下含鋁層和p型摻雜下含鋁層，其厚度均為0.25倍等效波長(zhǎng)，其中鋁的組分對(duì)于磷化銦系材料要大于0.46，對(duì)于砷化鎵系材料要大于0.9。
其中所述的p型電極，對(duì)于陣列的每一行的各垂直腔面發(fā)射激光器單元，其p型電極相連。
其中所述的p型電極，是鈦/鉑/金電極，或金/鋅/金電極。
其中所述的n型電極，對(duì)于陣列的每一列的各垂直腔面發(fā)射激光器單元，其n型電極相連。
其中所述的n型電極，是金/鍺/鎳電極。
其中所述的上布拉格反射鏡和下布拉格反射鏡，氧化前其材料是多層砷化鎵/鋁鎵砷，鋁的組分小于0.99且大于0.9，以減弱氧化材料的體積壓縮效應(yīng)，同時(shí)保證一定的氧化速度；或多層磷化銦/銦鋁砷，鋁的組分大于0.46，以保證一定的氧化速度。
本發(fā)明的特點(diǎn)是，第一，垂直腔面發(fā)射激光器陣列單元的正負(fù)兩個(gè)電極采用腔內(nèi)電極，即同有源區(qū)兩側(cè)的高摻雜導(dǎo)電層直接接觸，并通過它向有源區(qū)注入載流子以復(fù)合發(fā)光。同普通采用外電極即電極加在p型布拉格反射鏡表面和n型襯底背面的垂直腔面發(fā)射激光器相比，避免了電流流過電阻較大的布拉格反射鏡區(qū)，從而避免了大量發(fā)熱而造成布拉格反射鏡反射峰值波長(zhǎng)的漂移；第二，本發(fā)明采用多層半導(dǎo)體/半導(dǎo)體氧化物的布拉格反射鏡，可以以較少的層數(shù)實(shí)現(xiàn)較高的反射率，從而對(duì)難度較大的布拉格反射鏡材料的生長(zhǎng)降低了要求；第三，陣列的行電極和列電極由于采用腔內(nèi)電極，而腔外的布拉格反射鏡含有絕緣層(半導(dǎo)體氧化物)，容易實(shí)現(xiàn)正負(fù)電極的隔離和各單元電極的隔離；第四，陣列采用矩陣尋址，可以以較少的電極引線數(shù)目實(shí)現(xiàn)較多單元的尋址。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述，其中圖1為本發(fā)明的器件的陣列單元俯視示意圖，圖2為本發(fā)明的器件的陣列俯視示意圖，圖3為本器件的剖視示意圖。
具體實(shí)施例本實(shí)施例共包括8行8列共8×8個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器單元(見附圖3)；下面結(jié)合圖1和圖2，說明本發(fā)明實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)。
每個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器單元包括尺寸依次遞減的三個(gè)臺(tái)底反射鏡臺(tái)10、光腔臺(tái)20、和頂反射鏡臺(tái)30，還有p電極40和n電極50；其中底反射鏡臺(tái)10包括
一半絕緣襯底11；一砷化鎵/氧化鋁下布拉格反射鏡12；一n型重?fù)诫s砷化鎵導(dǎo)電層13；光腔臺(tái)20包括一n型摻雜下鋁鎵砷層21；一不摻雜砷化鎵下限制層22；一不摻雜砷化鎵/鋁鎵砷多量子阱有源層23；一不摻雜砷化鎵上限制層24；一p型摻雜上鋁鎵砷層25；一p型重?fù)诫s砷化鎵導(dǎo)電層26；頂反射鏡臺(tái)30包括一砷化鎵/氧化鋁上布拉格反射鏡31。
請(qǐng)參閱圖1，其中所述的半絕緣砷化鎵襯底11是摻鐵的。
其中所述的砷化鎵/氧化鋁下布拉格反射鏡12制作在半絕緣砷化鎵襯底11上表面，為載流子復(fù)合產(chǎn)生的光子提供垂直反射鏡面，同時(shí)隔離陣列各行n電流，是由7對(duì)砷化鎵/氧化鋁組成，每對(duì)砷化鎵/氧化鋁中砷化鎵的厚度是58.5納米，氧化鋁的厚度是130.3納米；所述的n型重?fù)诫s砷化鎵導(dǎo)電層13制作在砷化鎵/氧化鋁下布拉格反射鏡12上，以提供n電流的側(cè)向注入通道，是摻硅的，濃度是3×1019cm-3，厚度是175.5納米。
其中所述的n型摻雜下鋁鎵砷層21制作在n型重?fù)诫s砷化鎵導(dǎo)電層13上，并且被部分氧化，為注入n電流提供側(cè)向限制，其未氧化部分鋁含量為0.96，是摻硅的，濃度是1×1018cm-3，厚度是69.9納米，形成大約4微米的電流通道；不摻雜鋁鎵砷下限制層22制作在n型摻雜下鋁鎵砷層21上，以提供載流子限制，鋁含量為0.5，厚度是101.4納米；有源層23制作在不摻雜鋁鎵砷下限制層22上，載流子在其中復(fù)合發(fā)光，由3對(duì)不摻雜量子阱和壘組成，其中量子阱均是8納米的砷化鎵，壘均是10納米的鋁鎵砷(鋁含量為0.3)；不摻雜砷化鎵上限制層24制作在有源層23上，以提供載流子限制；鋁含量為0.5，厚度是101.4納米；p型摻雜上鋁鎵砷25制作在不摻雜砷化鎵上限制層24上，并且被部分氧化，為注入p電流提供側(cè)向限制，其未氧化部分鋁含量為0.96，是摻硅的，濃度是1×1018cm-3，厚度是69.9納米，形成大約4微米的電流通道；p型重?fù)诫s砷化鎵導(dǎo)電層26制作在p型摻雜上鋁鎵砷25上，以提供p電流的側(cè)向注入通道，是摻碳的，濃度是3×1019cm-3。
其中所述的砷化鎵/氧化鋁上布拉格反射鏡31制作在p型重?fù)诫s導(dǎo)電層26上，為載流子復(fù)合產(chǎn)生的光子提供垂直反射鏡面，同時(shí)隔離陣列各行p電流；是由5.5對(duì)砷化鎵/氧化鋁組成，每對(duì)砷化鎵/氧化鋁中砷化鎵的厚度是58.5納米，氧化鋁的厚度是130.3納米；請(qǐng)參閱圖1及圖2，其中所述的p型電極40，呈環(huán)形，制作在p型導(dǎo)電層26上、頂反射鏡臺(tái)30周圍，是金/鋅/金，或者是鈦/鉑/金電極，并且每行垂直腔面發(fā)射激光器單元的p型電極相連；n型電極50，呈環(huán)形，制作在n型導(dǎo)電層13上、光腔臺(tái)20周圍，是金/鍺/鎳電極，并且每列垂直腔面發(fā)射激光器單元的n電極相連。
本發(fā)明與現(xiàn)有的垂直腔面發(fā)射激光器陣列相比，本發(fā)明的垂直腔面發(fā)射激光器陣列單元采用腔內(nèi)電極，避免了電流流過電阻較大的布拉格反射鏡區(qū)大量發(fā)熱而引起布拉格反射鏡反射峰值波長(zhǎng)的漂移，提高了器件可靠性；采用多層砷化鎵/氧化鋁(或磷化銦/氧化銦鋁)的布拉格反射鏡，可以以較少的層數(shù)實(shí)現(xiàn)較高的反射率，降低了對(duì)布拉格反射鏡的材料生長(zhǎng)要求，降低了器件成本同時(shí)也簡(jiǎn)化了后期工藝難度；陣列的行電極和列電極由于采用腔內(nèi)電極，容易實(shí)現(xiàn)電極隔離和單元隔離；陣列采用矩陣尋址，可以以較少的電極引線數(shù)目實(shí)現(xiàn)較多單元的尋址。總體來講，本發(fā)明方案容易實(shí)現(xiàn)，涉及工藝簡(jiǎn)單，需求設(shè)備低，器件成本低而可靠性高，有廣闊的市場(chǎng)前景。
權(quán)利要求
1.一種矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，包括以下基本結(jié)構(gòu)共m×n個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器單元；其中所述的垂直腔面發(fā)射激光器單元包括尺寸依次遞減的三個(gè)臺(tái)底反射鏡臺(tái)、光腔臺(tái)、和頂反射鏡臺(tái)，還有p電極和n電極；該底反射鏡臺(tái)包括一半絕緣襯底；一下半導(dǎo)體/半導(dǎo)體氧化物布拉格反射鏡，該布拉格反射鏡制作在襯底上表面，為載流子復(fù)合產(chǎn)生的光子提供垂直反射鏡面，同時(shí)隔離陣列各行n電流；一n型重?fù)诫s導(dǎo)電層，該n型導(dǎo)電層制作在下布拉格反射鏡上，以提供n電流的側(cè)向注入通道；該光腔臺(tái)包括一n型摻雜下含鋁層；一不摻雜下限制層，該限制層制作在下含鋁層上，以提供載流子限制；一不摻雜有源層，該有源層制作在下限制層上，載流子在其中復(fù)合發(fā)光；一不摻雜上限制層，該上限制層制作在有源層上，以提供載流子限制；一p型摻雜上含鋁層，該上含鋁層制作在上限制層上，并且被部分氧化，為注入p電流提供側(cè)向限制；一p型重?fù)诫s導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層制作在上含鋁層上，以提供p電流的側(cè)向注入通道；該頂反射鏡臺(tái)包括一上半導(dǎo)體/半導(dǎo)體氧化物布拉格反射鏡，該布拉格反射鏡制作在p型重?fù)诫s導(dǎo)電層上，為載流子復(fù)合產(chǎn)生的光子提供垂直反射鏡面，同時(shí)隔離陣列各行p電流；該p型電極呈環(huán)形，制作在p型重?fù)诫s導(dǎo)電層上、頂反射鏡臺(tái)周圍，且每行垂直腔面發(fā)射激光器單元的p電極相連；該n型電極呈環(huán)形，制作在n型重?fù)诫s導(dǎo)電層上、光腔臺(tái)周圍，且每列垂直腔面發(fā)射激光器單元的n電極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，其中所述的p型重?fù)诫s導(dǎo)電層和n型重?fù)诫s導(dǎo)電層，為了能夠向有源區(qū)充分提供載流子，其厚度為0.75倍等效波長(zhǎng)，或1.25倍等效波長(zhǎng)，1.75倍等效波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，其中所述的n型摻雜下含鋁層和p型摻雜下含鋁層，其厚度均為0.25倍等效波長(zhǎng)，其中鋁的組分對(duì)于磷化銦系材料要大于0.46，對(duì)于砷化鎵系材料要大于0.9。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，其中所述的p型電極，對(duì)于陣列的每一行的各垂直腔面發(fā)射激光器單元，其p型電極相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，其中所述的p型電極，是鈦/鉑/金電極，或金/鋅/金電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，其中所述的n型電極，對(duì)于陣列的每一列的各垂直腔面發(fā)射激光器單元，其n型電極相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，其中所述的n型電極，是金/鍺/鎳電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，其中所述的上布拉格反射鏡和下布拉格反射鏡，氧化前其材料是多層砷化鎵/鋁鎵砷，鋁的組分小于0.99且大于0.9，以減弱氧化材料的體積壓縮效應(yīng)，同時(shí)保證一定的氧化速度；或多層磷化銦/銦鋁砷，鋁的組分大于0.46，以保證一定的氧化速度。
全文摘要
本發(fā)明一種矩陣尋址的垂直腔面發(fā)射激光器陣列器件，其特征在于，包括以下基本結(jié)構(gòu)共m×n個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器單元；其中所述的垂直腔面發(fā)射激光器單元包括尺寸依次遞減的三個(gè)臺(tái)底反射鏡臺(tái)、光腔臺(tái)、和頂反射鏡臺(tái)，還有p電極和n電極；該光腔臺(tái)制作在底反射鏡臺(tái)之上，該頂反射鏡臺(tái)制作在光腔臺(tái)之上；該p型電極制作在p型重?fù)诫s導(dǎo)電層上、頂反射鏡臺(tái)周圍，且每行垂直腔面發(fā)射激光器單元的p電極相連；該n型電極呈環(huán)形制作在n型重?fù)诫s導(dǎo)電層上、光腔臺(tái)周圍，且每列垂直腔面發(fā)射激光器單元的n電極相連。
文檔編號(hào)H01S5/00GK1622410SQ20031011964
公開日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2003年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者劉志宏, 王圩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所