帶單片生長光電探測器的長波長垂直腔面發射雷射器的製作方法

2023-04-25 12:46:36

專利名稱：帶單片生長光電探測器的長波長垂直腔面發射雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶單片生長光電探測器的長波長垂直腔面發射雷射器(VCSEL)。
背景技術：
通常，VCSEL二極體與光電探測器結合用於功率監測和基於該功率監測的自動功率控制(APC)。例如，在美國專利第5,943,357號中，通過晶片熔合將光電探測器貼附在長波長VCSEL上。
圖1為其上熔合有光電探測器的傳統VCSEL的簡化截面圖。參照圖1，傳統VCSEL包括順序沉積在襯底(未示出)上的分布式布拉格反射器(DBR)的上半導體層12、有源區11、以及DBR的下半導體層13。有源區11為發生雷射共振的腔。PIN光電探測器20熔合或焊接在具有該構造的VCSEL的底部。
如上所述，光電探測器(例如，PIN光電探測器)貼附於1300至1600nm長波長的VCSEL的底部，並監測該VCSEL的功率輸出。通常，該貼附技術可以為晶片焊接、晶片熔合、或者透明金屬粘結。
由於工藝問題，晶片熔合不適用於大規模生產。另外，晶片熔合在光電探測器與VCSEL之間的界面處產生電壓降。結果，必須增大輸出電壓值。
傳統VCSEL的缺點在於光電探測器無法僅僅準確探測VCSEL的輸出，因為自發發射和由VCSEL發射的光束都會到達光電探測器。
參照圖2，由自發發射產生的光和從傳統VCSEL的有源區發射的雷射束都傳出有源區。由於VCSEL的結構基本與共振腔發光二極體(LED)相同，因此該自發發射指向所有方向。
當VCSEL設計為使得朝向VCSEL上部的光束可用作輸出時，VCSEL下半導體層的DBR具有比其上半導體層更高的折射率。因此，朝向VCSEL下部的雷射束的強度比朝向VCSEL上部的雷射束更低。由於從VCSEL發射的雷射束具有約10μm的直徑但自發發射指向所有方向，因此在雷射光束通過的光電探測器的特定區域(即，直接位於VCSEL中心下，直徑約為10μm的區域)，雷射束的強度比自發發射的高。然而，由光電探測器的整個區域接收的自發發射的百分比相當高。特別地，此特徵出現在圖1和2所示的VCSEL中，在該VCSEL的底部表面上結合有光電探測器20的寬度為約200至300μm的光接收面從而接收來自VCSEL的光。
在具有單片生長光電探測器的短波長VCSEL中，光電探測器必須貼附在該短波長VCSEL的上表面上，因為若光電探測器貼附在VCSEL的底部表面上，則與VCSEL的基底相對應的襯底吸收了由VCSEL發射的雷射束，且因此無法監測VCSEL的準確功率輸出。

發明內容
本發明提供一種帶單片生長光電探測器的長波長垂直腔面發射雷射器(VCSEL)，其可以容易地製得並可有效監測從長波長VCSEL發射的雷射束。
該長波長VCSEL包括半導體襯底；下分布式布拉格反射器，其包括多個層，並生長在該半導體襯底上；有源區，其包括多個半導體材料層，並生長在該下分布式布拉格反射器上；以及上分布式布拉格反射器，其包括多個層，並生長在該有源區上。該下分布式布拉格反射器層包括探測從該有源區發射朝向該半導體襯底的雷射束的光電探測器。


通過參照附圖詳細介紹本發明的典型實施例，將使其上述和其它特徵及優點變得更加明顯易懂，附圖中圖1為帶光電探測器的傳統垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的簡化垂直截面圖；圖2示出由傳統VCSEL至光電探測器的雷射束和自發發射的光流；圖3為根據本發明第一實施例，帶光電探測器的垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的簡化垂直截面圖；以及圖4為根據本發明第二實施例，帶光電探測器的垂直腔面發射雷射器(VCSEL)的簡化垂直截面圖。
具體實施例方式
在圖3的第一實施例中，作為光電探測器的PIN二極體120具有(Al)GaAs/吸收層/(Al)GaAs疊層結構，並晶體生長在砷化鎵(GaAs)襯底100上，下金屬電極110形成在襯底100的底部表面上。吸收層包括InGaAs量子阱、銦鎵砷氮(InGaAsN)量子阱、以及In(Ga)(N)As量子點中之一，其中吸收層的帶隙小於或等於下述有源層151。
中間金屬電極130形成在PIN二極體120的兩臺肩上。作為垂直腔面發射雷射器(VCSEL)部件的下分布式布拉格反射器(DBR)140具有GaAs/AlAs或AlGaAs/AlGaAs堆疊結構，即(Al)GaAs/Al(Ga)As堆疊結構，並生長在PIN二極體120的中間部分的上表面上。
包括兩個蓋層152和夾持在蓋層152之間的有源層151的有源區150生長在下DBR 140上。有源層151包括銦鎵砷(InGaAs)量子阱、銦鎵砷氮(InGaAsN)量子阱、以及In(Ga)(N)As量子點中之一，以及分別形成在選定量子阱或點的上和下表面上的兩個壘層。
具有GaAs/AlAs或AlGaAs/AlGaAs堆疊結構(即，(Al)GaAs/Al(Ga)As堆疊結構)的上DBR 160生長在有源區150上。
兩個上金屬電極170形成在上DBR 160上，使得其分別位於雷射束通過其中的中間區域(w)的兩側。
在此特定實施例中，PIN二極體120存在於下DBR 140之下。或者，PIN二極體120可形成在下DBR 140的中間部分內。換言之，PIN二極體120可與下DBR 140一起生長。
在圖4的第二實施例中，作為光電探測器的PIN二極體220具有InP/吸收層/InP疊層結構，並晶體生長在磷化銦(InP)襯底200上，下金屬電極210形成在襯底200的底部表面上。吸收層包括InGaAsP量子阱、InGaAlAs量子阱、InGaAs量子阱、In(Ga)(N)As量子點、以及AlGaAsSb量子阱中之一，其中吸收層的帶隙小於或等於下述有源層251。
若如第二實施例中，其上生長有光電二極體的襯底由InP形成，優選有源區包括InGaAsP量子阱、InGaAlAs量子阱、InGaAs量子阱、In(Ga)(N)As量子點、以及鋁鎵砷銻(AlGaAsSb)量子阱中之一。
中間金屬電極230形成在PIN二極體220的兩臺肩的每一個上。作為VCSEL部件的下DBR 240具有InP/InGaAsP或InP/InGaAlAs堆疊結構，並生長在PIN二極體220的中心部分的上表面上。
包括兩個蓋層252和夾持在蓋層252之間的有源層251的有源區250生長在下DBR240上。有源層251包括InGaAsP量子阱、InGaAlAs量子阱、InGaAs量子阱、In(Ga)(N)As量子點、以及AlGaAsSb量子阱中之一，以及分別形成在選定量子阱或點的上和下表面上的兩個壘層。
具有InP/InGaAsP或InP/InGaAlAs堆疊結構的上DBR 260生長在有源區250上。
兩個上金屬電極270形成在上DBR 260上，使得其分別位於雷射束通過其中的中間區域(w)的兩側。
在此特定實施例中，PIN二極體220存在於下DBR 240之下。然而，PIN二極體220可形成在下DBR 240的中間部分內。換言之，PIN二極體220可與下DBR 240一起生長。
如上所述，在本發明中，光電探測器安裝在VCSEL的有源區與襯底之間，即無用雷射束經過的區域。進而，實際使用的雷射束未減少。在此結構中，當長波長雷射束朝襯底進行時，襯底吸收的雷射束減少很多，因此，可以精確探測雷射束並獲得對雷射束的控制。然而，在短波長VCSEL的情況下，襯底吸收雷射束是不可避免的，使得難以進行精確的光電探測。
本發明的VCSEL可以通過首先在生長於襯底上的光電二極體上順序生長下DBR、有源區、以及上DBR，其後通過蝕刻暴露光電探測器的一部分，隨後形成中間金屬電極。中間金屬電極由光電探測器和VCSEL共享。
光電探測器上所得的柱形VCSEL有助於減小自發發射為光電探測器所吸收而產生噪音的現象。因而，如圖3和4所示，本發明的VCSEL優選通過暴露襯底100或200上的光電探測器120或220的兩臺肩而具有寬度小於光電探測器120或220的柱形形狀。根據此結構，離開下DBR的光由位於下DBR下的光電二極體接收並由該光電二極體檢測。
本發明中，其上單片晶體生長有長波長VCSEL和光電探測器的襯底未吸收由長波長VCSEL發射的長波長雷射束，因為襯底的能隙比該長波長大。例如，本發明中採用的上述襯底為GaAs或InP襯底。
本發明的VCSEL適用於任何使用長波長雷射的領域，如光通訊領域。
雖然，已參照本發明的典型實施例具體示出和介紹了本發明，本領域技術人員應理解，可以在不脫離由所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍的基礎上，對其形式和細節作各種改動。
權利要求
1.一種長波長垂直腔面發射雷射器，包括半導體襯底；下分布式布拉格反射器，其包括多個層，並生長在該半導體襯底上；有源區，其包括多個半導體材料層，並生長在該下分布式布拉格反射器上；以及上分布式布拉格反射器，其包括多個層，並生長在該有源區上，其中，該下分布式布拉格反射器層包括探測從該有源區發射朝向該半導體襯底的雷射束的光電探測器。
2.如權利要求1的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該光電探測器安裝於該下分布式布拉格反射器的中間部分中或該下分布式布拉格反射器的底部表面上。
3.如權利要求1或2的長波長垂直腔面發射雷射器，其中暴露該光電探測器的兩臺肩，使得在該光電探測器上，該下分布式布拉格反射器、有源區、以及上分布式布拉格反射器的疊層具有柱形形狀。
4.如權利要求3的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該襯底由砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)中之一製成。
5.如權利要求1的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該襯底由GaAs和InP中之一製成。
6.如權利要求2的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該襯底由GaAs和InP中之一製成。
7.如權利要求1的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該襯底由GaAs製成，該有源區由銦鎵砷(InGaAs)量子阱、銦鎵砷氮(InGaAsN)量子阱、以及In(Ga)(N)As量子點中之一製成。
8.如權利要求2的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該襯底由GaAs製成，該有源區由銦鎵砷(InGaAs)量子阱、銦鎵砷氮(InGaAsN)量子阱、以及In(Ga)(N)As量子點中之一製成。
9.如權利要求1的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該襯底由GaAs製成，該吸收層包括銦鎵砷(InGaAs)量子阱、銦鎵砷氮(InGaAsN)量子阱、以及In(Ga)(N)As量子點中之一。
10.如權利要求6的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該上和下分布式布拉格反射器每個都是(Al)GaAs/Al(Ga)As疊層。
11.如權利要求7的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該上和下分布式布拉格反射器每個都是(Al)GaAs/Al(Ga)As疊層。
12.如權利要求1的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該襯底由InP製成，該有源區由InGaAsP量子阱、InGaAlAs量子阱、InGaAs量子阱、In(Ga)(N)As量子點、以及鋁鎵砷銻(AlGaAsSb)量子阱中之一製成。
13.如權利要求2的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該襯底由InP製成，該有源區由InGaAsP量子阱、InGaAlAs量子阱、InGaAs量子阱、In(Ga)(N)As量子點、以及鋁鎵砷銻(AlGaAsSb)量子阱中之一製成。
14.如權利要求l的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該襯底由InP製成，該吸收層包括InGaAsP量子阱、InGaAlAs量子阱、InGaAs量子阱、In(Ga)(N)As量子點、以及AlGaAsSb量子阱中之一。
15.如權利要求12的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該上和下分布式布拉格反射器每個都是InP/InGaAsP或InP/InGaAlAs疊層。
16.如權利要求13的長波長垂直腔面發射雷射器，其中該上和下分布式布拉格反射器每個都是InP/InGaAsP或InP/InGaAlAs疊層。
全文摘要
本發明公開了一種帶單片生長光電探測器的長波長垂直腔面發射雷射器(VCSEL)。該光電探測器安裝於該長波長VCSEL的下分布式布拉格反射器的中間部分中或底部表面上。光電探測器與長波長VCSEL整體形成。其上晶體生長有長波長VCSEL和光電探測器的襯底未吸收由長波長VCSEL發射的雷射束。因此，準確探測了朝向襯底的雷射束，並且雷射束的增益得到了有效控制。
文檔編號H01S3/08GK1585215SQ20041004655
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月2日 優先權日2003年8月19日
發明者金澤 申請人:三星電子株式會社