專利名稱：短波長垂直腔表面發(fā)射激光器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)器件，更具體地說，是涉及垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSELs)。
傳統(tǒng)的激光二極管是邊緣發(fā)射器件，它發(fā)射的是平行于器件的某一個平面的光。此外，傳統(tǒng)的激光二極管發(fā)出的是長波長的光。由于傳統(tǒng)的激光二極管是邊緣發(fā)射型的，封裝問題的存在使之不能大批量生產(chǎn)，因而限制了這一類型傳統(tǒng)激光二極管的應(yīng)用。更進(jìn)一步說，這種傳統(tǒng)的激光二極管發(fā)出的是長波長光，需要短波長光的應(yīng)用就不能用這種傳統(tǒng)的激光二極管實(shí)現(xiàn)。
近來，人們對一種稱為垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的新型激光器件的興趣有所增加，VCSEL的優(yōu)點(diǎn)是，器件更小，表面是平面，消耗的功率更低，且有更大的加工潛力，可是，盡管VCSEL具有這些優(yōu)點(diǎn)，但通常它發(fā)出的是長波長的光，不能滿足像高密度CDROM這一類應(yīng)用的要求。容易看出，VCSEL的傳統(tǒng)制造方法及制品有著嚴(yán)重的局限性，它們不僅復(fù)雜、昂貴，而且經(jīng)不起大批量生產(chǎn)的考驗，因此，一種具有高生產(chǎn)能力的發(fā)射短波長光的激光器的制造方法及其制品將是人們期望的。


圖1所示的是一個簡化的垂直腔平面發(fā)射激光器的剖視圖。
圖2是砷化鎵襯底和磷化銦襯底上晶格失配(％)及波長(μm)和能帶間隙(eV)之間的材料關(guān)系曲線。
現(xiàn)在參考圖1和圖2，圖1是簡化了的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)101的局部放大剖視圖，圖2是幾種材料特性的圖示，即相關(guān)材料在砷化鎵襯底上的晶格失配(％)、波長(μm)、能帶間隙(eV)和磷化銦襯底上的晶格失配的關(guān)系圖。
VCSEL101被加工成包括幾種特征或成分，如具有表面103的襯底102，具有表面105的漸變層104，具有表面114的偽襯底113，一個分布布喇格反射堆(DBRs)106，覆蓋區(qū)107，激發(fā)區(qū)108，覆蓋區(qū)109，DBRs堆110，含有層體116和118的接觸區(qū)111，層體120，層體122，導(dǎo)電層124，接觸層126，具有表面133的臺面或隆起131，具有表面140，141，142和區(qū)域144的溝槽136。
可以理解，圖1所示的只是襯底102的一部分剖視圖，因此能使圖1向圖面內(nèi)外延伸，也能橫向擴(kuò)展它。于是，VCSEL101可以代表組成陣列的許多VCSELs中的一個，本專利申請相關(guān)的美國專利5,468,558，名稱為制造VCSEL的方法，公布于1995年11月21日，轉(zhuǎn)讓給了同一受讓人，這被包含在此處的參考資料中。
為了便于理解，下面簡單描述一下所用的材料和方法。簡單地說，VCSEL101是在，如砷化鎵(GaAs)、銦鎵磷(InGa1-xPx)，鎵砷磷(GaAs1-xPx)等具有表面103的任何合適的襯底材料102上制作的。這里的襯底是任何適當(dāng)?shù)捏w材料或任何適當(dāng)?shù)闹尾牧蠈印D1示出的襯底102是體材料。
具有表面105的漸變層104是通過淀積法或其它任何適當(dāng)?shù)耐庋臃椒ɑ蚬に嚕缙嗤庋?VPE)、分子束外延(MBE)、金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)或者其它類似的方法得到的，漸變層104是由任何適當(dāng)?shù)牟牧?，如鎵砷?GaAsP)等構(gòu)成的。通常漸變層104被制成易于實(shí)現(xiàn)從一種晶格常數(shù)向另一種晶格常數(shù)的轉(zhuǎn)換。舉一個例子，襯底102是砷化鎵，其(第一種)晶格常數(shù)是5.653，偽襯底113是GaAs.70P.30，其(第二種)晶格常數(shù)是5.593，這樣，在襯底102和偽襯底113之間就形成了1.1％的失配率(如圖2所示)。漸變層104是由GaAs1-xPx構(gòu)成的，它是用逐漸增加磷的濃度(x)到期望值來外延淀積GaAs1-xPx的辦法實(shí)現(xiàn)第一種晶格常數(shù)和第二種晶格常數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。在本特例中，磷濃度是30％，對應(yīng)的砷濃度是70％。此外，漸變層104阻止失配位錯和其它缺陷向后續(xù)外延層的滲透，因此，所提供的表面105具有低缺陷密度。
總之，任何適當(dāng)?shù)霓k法或工藝，像這種分別以0.0-70％的砷濃度和0-30％的磷濃度作動態(tài)變化以使一系列膜層具有變化的砷和磷濃度，及其類似的辦法可以用于淀積漸變層104，這就提供了從一種材料到另一種材料的晶格橋。漸變層104可以是0.1到50.0μm間任何適當(dāng)?shù)暮穸?15，最佳范圍是0.5到20μm，標(biāo)稱值是1.0μm，可以理解，如果襯底102是由GaAs1-xPx構(gòu)成的，漸變層104就是不必要的了，這樣DBRs堆106就可以直接做在GaAsP襯底102上。
具有表面114的偽襯底113依次淀積或做在漸變層104上，這就為VCSEL101的隨后加工提供了一個材料層。任何適當(dāng)?shù)耐庋臃椒ɑ蚬に?，如汽相外?VPE)，分子束外延(MBE)，金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD)或其它類似的方法都可以使用。在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，使用VPE法在漸變層104上淀積偽襯底113。通常，偽襯底113是由與漸變層104相同的材料構(gòu)成的，但用的是漸變層104的最終組分，因此，偽襯底113與漸變層104是晶格匹配的。例如，漸變層104從GaAs漸變到GaAs.70P.30，則偽襯底113是由GaAs.70P.30構(gòu)成的?？梢岳斫?，盡管偽襯底113和漸變層104是作為分離的實(shí)體描述的，但實(shí)際上偽襯底113仍是漸變層104的一個無縫隙延續(xù)。此外，砷和磷的濃度值范圍可以分別從60％到80％和20％到40％，最佳的范圍分別是從65％到75％和25％到35％，相應(yīng)標(biāo)稱值的數(shù)量級分別是70％和30％。偽襯底113可以是任何適當(dāng)?shù)暮穸龋≈捣秶梢允?.1微米或更大一點(diǎn)，更實(shí)際地說，厚度117取值范圍可以從0.1-50微米，最佳范圍從10.0到100.0微米，標(biāo)稱厚度值在50.0μm這一數(shù)量級上。如圖2所示，有了偽襯底113，一種新異的具有不同晶格常數(shù)和提升了的帶隙的襯底材料就形成了。這樣，偽襯底113提供了實(shí)際上具有短波長發(fā)射的VCSEL101的制作平臺，正如在圖2中可以看到的，GaAs.70P.30具有約1.75eV的帶隙，所以能發(fā)出位于可見光譜區(qū)的數(shù)量級為0.7μm的短波長光。
一旦偽襯底113已經(jīng)淀積在襯底102上，幾種外延層—包括DBRs堆106，覆蓋區(qū)107，激發(fā)區(qū)108，覆蓋區(qū)109和DBRs堆110-就一層層地淀積或形成在襯底102上。一般地，這些層體是用諸如汽相外延(VPE)、分子束外延(MBE)，金屬有機(jī)化學(xué)淀積等任何適當(dāng)?shù)念愃品椒ɑ蚬に囈来涡纬苫虻矸e在對應(yīng)層的頂部。
更具體地說，對于DBRs106和110、覆蓋層107和109、及激發(fā)區(qū)108的有關(guān)材料，可以理解，任何適當(dāng)?shù)牟牧吓浞蕉伎梢杂糜诩庸ど鲜龅膶芋w。但是，通過選擇與由GaAs.70P.30構(gòu)成的偽襯底113相配的材料，可以制做出發(fā)射波長范圍是從0.55到0.7μm的VC-SEL101，因此，由VCSEL101提供的光119實(shí)際上是波長更短的光。
舉例說，用GaAs.70P.30作偽襯底113，激發(fā)區(qū)108由包括(GaAl)yIn1-yP勢壘層和GayIn1-yP量子阱等幾個層體構(gòu)成，不難理解，這里使用了多個量子阱和勢壘層?？傊诒纠?，為了增加能量轉(zhuǎn)換和提供足夠的帶隙間斷，y值取65％量級，可以理解，這些值的變化取決于具體的應(yīng)用和材料結(jié)構(gòu)。
覆蓋區(qū)107和109由鋁銦磷(AlyIn1-yP)構(gòu)成，位于激發(fā)區(qū)108的兩側(cè)并適當(dāng)摻雜。激發(fā)區(qū)108中的y值與覆蓋區(qū)109的類似。
DBRs106和110是由AlyIn1-yP層和(AtGa)yIn1-yP層交替構(gòu)成的，只是DBR106是n摻雜的，而DBR110是p摻雜的，一般地，以GaAs.70P.30作為偽襯底113，y值是在65％量級。
接觸區(qū)111包含層體116和118，其中層體116是一種諸如p摻雜的砷化鎵外延淀積材料，例如用鋅摻雜，層體118是一種歐姆金屬材料，如類似于鈦、鎢等的金屬或一種合金材料像鈦/鎢合金等。
臺面131和溝槽136是通過任何適當(dāng)?shù)墓に囘^程或工藝過程的組合來形成的，如淀積、光刻、腐蝕等類似工藝。一般來說，層體120是淀積在接觸區(qū)111上的。層體120是由任何合適的材料構(gòu)成的，像氮化物、氮氧化物、二氧化硅等等。一個掩膜層加在層體120上。掩膜層是任何適當(dāng)?shù)墓饷舨牧蠘?gòu)成的，如光刻膠、聚酰亞胺等等。掩膜層被做成環(huán)形圖案，因此，把層體120的一部分曝光并且另一部分蓋住。層體120的曝光部分被腐蝕掉或者用任何適當(dāng)?shù)姆椒ǔ簦绺煽涛g法、濕刻蝕法等。一旦層體120的曝光部分被除掉后，接觸區(qū)111的局部也相繼被曝光和腐蝕，從而去除或刻蝕接觸區(qū)111的已曝光部分?？涛g一直繼續(xù)到得到了期望的深度為止，從而使環(huán)形圖案穿過接觸區(qū)111并且至少進(jìn)入到DBRs110以做成臺面或隆起131和溝槽136。
掩膜的圖形可以用本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的任何適當(dāng)方法來實(shí)現(xiàn)，像光刻蝕法等。此外，可以理解，隨著溝槽136刻蝕的繼續(xù)，如表面140、141、142所示，一個連續(xù)表面就形成了?？墒?，應(yīng)該知道，工藝參數(shù)和設(shè)備的變化能產(chǎn)生具有各種幾何形狀的溝槽136，像方形溝道、U形溝槽、V形溝槽等。在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，溝槽136的刻蝕可以做到穿透DBRs106堆直至襯底102的表面103，溝槽136的刻蝕一直持續(xù)到在DBRs110中達(dá)到一個距離112為止。距離112定義為從覆蓋區(qū)109到溝槽136的表面142的距離。典型情況下，距離112可以是任何適當(dāng)?shù)木嚯x；在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，距離112小于1.0微米，標(biāo)稱距離小于0.1微米。
例如，層體120用氮化物構(gòu)成，層體118用鈦/鎢(合金)、層體116用砷化鎵、層體120和118在氟基等離子體化學(xué)過程中刻蝕，層體116用氯基化學(xué)過程刻蝕。
區(qū)域144表示一個限流區(qū)，它是在DBRs110堆中形成的可選部分，用于VCSEL101的特殊用途。一般地，區(qū)域144是用任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ瞥傻?，像用氫離子、氧離子等任何適當(dāng)?shù)碾x子作離子注入，離子破壞了區(qū)域144的外延原子堆，從而阻止電流的橫向擴(kuò)散，改善VCSEL101的性能。
一旦臺面131和溝槽136適當(dāng)形成后，任何適當(dāng)?shù)慕殡姴牧?，像二氧化硅、氮化物、氮氧化合物等所?gòu)成的層體122就淀積在層體120、溝槽136和臺面131上。用一種與前面描述過的相類似的掩膜層對層體122作布圖，借以把臺面131的表面133上方的那部分層體122曝光。一般情況下，掩膜層的構(gòu)圖用于使位于臺面131的表面133上方的那部分層體122充分曝光，而溝槽136和層體122的其余部分由掩膜層遮蓋并保護(hù)起來。層體122和層體120的所有剩余材料就通過任何上述的適當(dāng)?shù)姆椒涛g掉。于是，層體122和120的去除部分在臺面131和臺面131的曝光表面133上被曝光。
層體120和122刻蝕完成后，用任何適當(dāng)?shù)姆椒ā裾舭l(fā)、濺射等方法把導(dǎo)電層124淀積或形成在結(jié)構(gòu)體上。導(dǎo)電層是由任何適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料—像鋁、銅、鈦、鎢等金屬或鋁/銅、鈦/鎢等合金構(gòu)成的。
導(dǎo)電層124淀積后，用濺射、蒸發(fā)等任何適當(dāng)?shù)姆椒▽⒔佑|層126形成在導(dǎo)電層124上。接觸層126一般是由金屬像鎳、金、鈦、鎢等或合金，如鈦/鎢合金等任何合適的材料構(gòu)成的，因而這些材料上的鍍層具有可選性。然而，在本發(fā)明的一個最佳實(shí)施例中，是把金材料濺射到導(dǎo)電層124上。
我們已經(jīng)描述了本發(fā)明的特殊實(shí)施例，對于熟悉本領(lǐng)域的人可以作進(jìn)一步的修改和改進(jìn)。因此，我們期望能夠認(rèn)為，本發(fā)明不僅僅限于所述的特殊形式并且我們將在后面的權(quán)利要求中概括不超出本發(fā)明思路和范圍的所有修改情形。
到目前為止，一種新穎的制作短波長VCSEL的方法及制品被提了出來，這種VCSEL發(fā)射從0.55到0.7μm的可見光，使VCSEL發(fā)出明顯比一般在GaAs襯底上制作的器件所發(fā)出的更短的波長的光。
權(quán)利要求
1.短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的特征在于一個鎵砷磷襯底，具有一個表面；第一反射堆形成在鎵砷磷襯底的表面上；第一覆蓋區(qū)形成在第一反射堆上；一個激發(fā)區(qū)形成在第一覆蓋區(qū)上；第二覆蓋區(qū)形成在激發(fā)區(qū)上；第二反射堆形成在第二覆蓋區(qū)上；及一個接觸區(qū)形成在第二反射堆上。
2.權(quán)利要求1所述的短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的進(jìn)一步特征在于鎵砷磷襯底所含有的砷濃度范圍是60-80％。
3.權(quán)利要求1所述的短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的進(jìn)一步特征在于鎵砷磷襯底所含有的磷濃度范圍是20-40％。
4.短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的特征在于一個半導(dǎo)體襯底，具有一個第一表面；一個鎵砷磷層淀積在半導(dǎo)體襯底的表面上；第一反射堆覆蓋在半導(dǎo)體襯底的第一表面上；第一覆蓋區(qū)覆蓋在第一反射堆上；一個激發(fā)區(qū)覆蓋在第一覆蓋區(qū)上；第二覆蓋區(qū)覆蓋在激發(fā)區(qū)上；第二反射堆覆蓋在第二覆蓋區(qū)上；及一個接觸區(qū)覆蓋在第二反射堆上。
5.制造短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的方法的特征在于下列步驟提供一個具有第一表面的半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底的第一表面上形成一個漸變層；形成一個覆蓋在半導(dǎo)體襯底的第一表面上的第一反射堆；形成一個覆蓋在第一反射堆上的第一覆蓋區(qū)；形成一個覆蓋在第一覆蓋區(qū)上的激發(fā)區(qū)；形成一個覆蓋在激發(fā)區(qū)上的第二覆蓋區(qū)；形成一個覆蓋在第二覆蓋區(qū)上的第二反射堆；及形成一個覆蓋在第二反射堆上的接觸區(qū)。
6.權(quán)利要求5所述的制造短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的方法中形成漸變層的步驟的進(jìn)一步特征在于，漸變層含有的磷濃度范圍是60-80％。
7.權(quán)利要求5所述的制造短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的方法中形成漸變層的步驟的進(jìn)一步特征在于，漸變層含有的砷濃度范圍是20-40％。
8.權(quán)利要求5所述的制造短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的方法中形成漸變層的步驟的進(jìn)一步特征在于，漸變層所含有的砷濃度和磷濃度的標(biāo)稱值分別為70％和30％。
9.權(quán)利要求5所述的制造短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的方法中提供一個半導(dǎo)體襯底的步驟的進(jìn)一步特征在于，所提供的半導(dǎo)體襯底是砷化鎵襯底。
10.權(quán)利要求5所述的制造短波長垂直腔表面發(fā)射激光器的方法中提供一個半導(dǎo)體襯底的步驟的進(jìn)一步特征在于，所提供的半導(dǎo)體襯底是鎵砷磷襯底。
全文摘要
提供了一種短波長垂直腔表面發(fā)射激光器(101)。襯底(102)具有一個表面(103)，襯底(102)是由鎵砷磷構(gòu)成的。形成了一個覆蓋在襯底(102)的第一表面(103)上的第一反射堆(106)。第一覆蓋區(qū)(107)是通過覆蓋在第一反射堆(106)上形成的。激發(fā)區(qū)(108)是覆蓋在第一覆蓋區(qū)(107)上形成的。第二覆蓋區(qū)(109)是覆蓋在激發(fā)區(qū)(108)上形成的。第二反射堆(110)是覆蓋在第二覆蓋區(qū)(109)上形成的。接觸層(126)是覆蓋在第二反射堆(110)上形成的。
文檔編號H01S5/323GK1141524SQ96105880
公開日1997年1月29日 申請日期1996年5月10日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月15日
發(fā)明者賈瑪·蘭達(dá)尼, 邁克爾斯·S·蕾比, 彼椎·格羅津斯 申請人:摩托羅拉公司