單模垂直腔面發射雷射器及其製造方法
2023-05-16 20:57:11 1
專利名稱：單模垂直腔面發射雷射器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及垂直腔面發射雷射器，具體地涉及單模垂直腔面發射雷射器及其製造方法。
背景技術：
VCSEL(垂直腔面發射雷射器)是由夾在一對高反射性的反射鏡疊層之間的光活性半導體區域形成的雷射器件，其中這種反射鏡疊層可以由金屬材料層、介電材料層或外延生長半導體材料層形成。通常，其中一個反射鏡疊層的反射性能做得不如另一個，這樣使得在這兩個反射鏡疊層之間形成的共振腔中產生的相干光的一部分可以優先從器件一側發射出去。通常，VCSEL從共振腔的頂面或底面發射出光束髮散相對較小的雷射。VCSEL可以被布置成單個的、一維陣列或二維陣列，在晶片上進行測試，並易於結合到可耦合至光纜的光收發器模塊內。
一般來說，VCSEL可以表徵為增益導向型(gain-guided)VCSEL或折射率導向型(index-guided)VCSEL。注入型VCSEL是最普遍的商用增益導向型VCSEL。注入型VCSEL包括一個或多個限制電流並減少寄生的高電阻注入區。另一方面，氧化物VCSEL是最普遍的橫向折射率導向型VCSEL。氧化物VCSEL包括限制電流和光的氧化層(和可能的注入區)。
用於單模操作和在一系列不同波長(例如650nm、850nm、980nm、1300nm和1550nm)下的多模操作的VCSEL和VCSEL陣列已被成功開發出來。
一般來說，對於單模VCSEL，人們期望能夠在一規定工作條件範圍內表現出單模行為，同時符合其他性能要求。一般來說，人們期望增大VCSEL產生的單模光功率。此外，人們期望減小VCSEL的串聯電阻和VCSEL產生的輸出光束的發散。人們還期望減小VCSEL受靜電放電(ESD)的破壞。在一些現有方法中，高串聯電阻和低ESD閾值都與小的電流孔隙(aperture)有關。
高注入電流是VCSEL產生高輸出功率所必需的。但是，根據公知的光束控制效應，更高的注入電流，會引起輸出光束髮散；而這種光束控制效應源自VCSEL的橫向模式與VCSEL波導結構中電流引起的折射率變化之間的相互作用。注入電流較低時，VCSEL通常以基本的(即最低級別)橫向模式工作，並且波導結構中的折射率基本保持恆定。但是，注入電流更高時，由於歐姆加熱和空間燒孔效應，模式結構將變得不穩定。這些變化允許更高級別的橫向模式以更大的發散角度傳播，導致VCSEL與用來傳輸來自VCSEL的光的相關光纖之間的耦合效率下降。對於注入型VCSEL，不同雷射模式之間的混合經常作為VCSEL的光功率與注入電流之間的函數曲線(經常被稱為「L-I」曲線)中的彎折(kink)而被檢測到。
已增加VCSEL的電流孔隙尺寸來增加器件的輸出光功率。更大的電流孔隙還減小了VCSEL的串聯電阻。但是，更大的電流孔隙增加了更高級別的雷射模式將傳播並與基本模式混合的可能性。延伸的腔結構和光學反導向(anti-guiding)結構已被引入VCSEL的波導腔內，來抑制更高級別的雷射模式。經常，這些結構的引入會增加VCSEL製備工藝的複雜性，並降低了其可靠性。
發明內容
本發明的特點在於單模垂直腔面發射雷射器及其製造方法。
本發明的一方面，垂直腔面發射雷射器(VCSEL)可用來在工作波長下產生單模雷射。該VCSEL包括光發射表面和整塊的縱向疊層結構。縱向疊層結構包括第一反射鏡、第二反射鏡和腔區。第一反射鏡對工作波長的光的光反射率為R1。第二反射鏡對工作波長的光的光反射率為R2，其中R1和R2的值各不相同，一個大於99.9％，另一個小於99.7％。腔區設置在第一反射鏡和第二反射鏡之間，包括活性光產生區和腔延伸區。該縱向疊層結構還包括離子注入電流抑制區，其特徵為與所述腔區的縱向距離大於0.5μm的縱向注入濃度峰。
本發明的特點還在於包含上述VCSEL的VCSEL陣列。
本發明的另一個方面公開了製造上述VCSEL的方法，包括形成光發射表面和整塊縱向疊層結構，所述整塊縱向疊層結構包括第一反射鏡，其對所述工作波長的光的光反射率為R1，第二反射鏡，其對所述工作波長的光的光反射率為R2，其中R1和R2的值不相同，一個大於99.9％，另一個小於99.7％，腔區，設置在所述第一反射鏡和所述第二反射鏡之間，包括活性光產生區和腔延伸區；以及將離子注入電流抑制區，所述電流抑制區的特徵為與所述腔區的縱向距離大於0.5μm的縱向注入濃度峰。
從下面的描述，包括附圖和權利要求，本發明的其他特徵和優點將變得更明了。
圖1是增益導向型VCSEL的橫截面側視圖，其中VCSEL包括限定電流孔隙的離子注入區和設置在第一反射鏡和第二反射鏡之間的腔區。
圖2是對於圖1的VCSEL的示例性實施方式，注入濃度作為離腔區的距離的函數作圖的曲線。
圖3是另一種增益導向型VCSEL的截面側視圖，其中VCSEL包括具有鄰近第一反射鏡的第一部分和鄰近第二反射鏡的第二部分的腔延伸區。
圖4是對於圖1 VCSEL的不同實施方式，光功率(LOP)和電壓(V)作為向前注入電流(電流)的函數作圖的曲線。
圖5是對於圖1 VCSEL的實施方式，邊模抑制比作為偏置電流的函數作圖的曲線。
具體實施例方式
在下面的描述中，類似的標號用來標識類似的元件。而且，附圖意在以圖示的方式來說明示例性實施例的主要特徵。附圖並非意在描繪實際實施例的每個特徵，也非描繪所繪元件的相對尺寸，並且沒有按比例繪製。
I.VCSEL結構的概述圖1示出了平面增益導向型VCSEL 10的實施例，這種VCSEL可用來在工作波長(例如，波長650nm、850nm、980nm、1300nm和1550nm)下產生單模雷射。這裡所用的「單模雷射」指其特徵為具有邊模抑制比(SMSR)大於30分貝(dB)的單個主強度峰的波長頻譜的VCSEL 10的輸出光。這裡該單個主強度峰的波長稱之為「工作波長」。
VCSEL 10具有沿縱向(Z)延伸的整塊的疊層結構，包括夾在第一反射鏡14和第二反射鏡16之間的腔區12。整塊的疊層結構形成在襯底18上。可選的緩衝層17可以生長在襯底18和整塊疊層結構之間。第一反射鏡14和第二反射鏡16由特徵為高電導率的材料層形成。腔區12包括活性光產生區19和腔延伸區26。活性區19包括夾在一對阻擋層22和24之間的一個或多個活性層20，活性層20可以包括例如一個或多個量子阱，或者一個或多個量子點。環狀離子注入電流抑制區28設置在VCSEL 10的光發射表面30和腔區12之間。電流抑制區28對應於一環狀區，其中這個區中的材料已被注入多層的第一反射鏡14的離子(即質子)所破壞。注入離子導致的這種破壞使得經注入的反射鏡材料轉化為高電阻材料。電流抑制區28圍繞著由未經注入(從而，基本未被破壞)的反射鏡材料形成的電流孔隙32，該反射鏡材料大致保持其最初的高電導率。在某些實施方式中，電流孔隙32的直徑是自由空間中工作波長的約15倍。
第一環狀電接頭34形成在光發射表面30上。第二電接頭36位於VCSEL 10的相對端。第一電接頭34和第二電接頭36使得VCSEL 10能被合適的驅動電路驅動。在操作中，工作電壓被施加在電接頭34和36上，來產生在VCSEL 10中流動的電流。一般來說，電流流過VCSEL結構的中心區，雷射作用發生在腔區12的中心部分。第一反射鏡疊層14中由離子注入區28所圍繞的孔隙32橫向地將載流子限制在VCSEL結構中心區。載流子受限源於抑制區28相對高的電阻率，這導致電流優先流過位於中間的孔隙32。這種橫向載流子受限增加了活性區內的載流子密度，從而增加了活性區內產生光的效率。人們認為，電接頭34充當光損導引機構，這樣使得電接頭34中的孔隙設定了由VCSEL 10發射的雷射的分散角。在某些實施方式中，電接頭34中的孔隙直徑小於離子注入電流孔隙32的直徑。
在所示實施例中，第一反射鏡14和第二反射鏡16的其中每一個都包括不同折射率材料的交替層的系統，這種系統形成了為規定的工作雷射波長(例如在650nm-1650nm範圍內的波長)而設計的分布式布拉格反射器(DBR)。例如，第一反射鏡疊層14和第二反射鏡疊層16可以由高鋁含量的AlGaAs層和低鋁含量的AlGaAs層的交替層形成。第一反射鏡疊層14和第二反射鏡疊層16的層的有效光學厚度(即層厚度與層的折射率的乘積)優選為工作雷射波長的約1/4。襯底18可以由GaAs、InP、藍寶石(Al2O3)或InGaAs形成，並且可以是未摻雜的、摻雜n型(例如用Si摻雜)或摻雜p型(例如用Zn摻雜)。位於最靠近光發射表面30的反射鏡的反射性能做得不如另一個反射鏡，這樣使得在腔區12中產生的相干光的一部分優先通過光發射表面30發射出。
在這裡所示實施例中，第一反射鏡14和第二反射鏡16被如此設計，使得雷射從VCSEL 10的頂表面發射出。在其他實施例中，反射鏡疊層14和16可以設計為使得雷射從襯底18的底表面發射出。
第一阻擋層22和第二阻擋層24可以由根據活性層的材料組成而選擇的材料形成。在某些實施方式中，活性層20和阻擋層22、24可以由AlInGaAs的各個不同組合物(即AlInGaAs、GaAs、AlGaAs和InGaAs)、InGaAsP的各個不同組合物(即InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP和GaP)、GaAsSb的各個不同組合物(即GaAsSb、GaAs和GaSb)、InGaAsN的各個不同組合物(即InGaAsN、GaAs、InGaAs、GaAsN和GaN)或AlInGaAsP的各個不同組合物(即AlInGaAsP、AlInGaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP和GaP)形成。其他量子阱層組合物也可以使用。腔延伸區26由對工作波長的光基本透明的、並能與VCSEL 10的其他層整體形成的材料形成。在某些實施方式中，腔延伸區26的形成材料與用來形成第一反射鏡14和第二反射鏡16的其中一個組成層的材料相同。
在某些實施方式中，活性區19的光學厚度大致等於VCSEL 10的工作波長。在這些實施方式中，腔延伸區26的縱向(Z)光學厚度大致等於VCSEL 10工作波長的1/2的整數倍。
VCSEL 10可以通過常規的外延生長工藝形成，例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)。
如以下將詳細解釋的，選擇VCSEL 10的各種特徵，使得VCSEL 10的實施方式具有相對高的單模輸出光功率、相對低的串聯電阻和相對平滑(不彎折的)的L-I曲線的特點。具體地，通過選擇離子注入區28和腔區12之間的間隔、發光反射鏡(例如在圖1實施例中的第一反射鏡14)的反射率和腔延伸區26的光學厚度，來獲得改善的VCSEL性能以及具有生產複雜性降低、生產可靠性提高特點的器件。
注入深度已觀察到，注入區深度的減小(即離子注入區28和腔區12之間間隔的增加)會增加向前漏電流(即並非用來產生光的向前注入電流部分)，從而增加雷射閾值電流水平。但是，對於這種VCSEL，已觀察到所得的L-I曲線彎折更少。我們認為這種效應源自在更高的電流水平下，對向前注入電流的更好控制。注入區深度的減小還改善了穿過腔區12的電流的均一性，減少了電流擁擠，減小了熱透鏡效應，並降低了注入破壞延伸至活性層20從而不利地影響器件性能的可能性。
參照圖1和2，通過將離子注入區設置在光發射表面30和腔區12之間的一位置處，即其中縱向注入濃度峰(Cp)位於距離腔區12縱向距離ΔZp的位置處，並且ΔZp大於0.5微米(μm)，VCSEL性能從而得以改善。
在某些實施方式中，離子注入區設置在光發射表面30和腔區12之間的一位置處，即其中縱向注入濃度峰(Cp)位於距離腔區12縱向距離ΔZp的位置處，而ΔZp大於離子注入區28的縱向散布(straggle，ΔZs)的3倍。縱向散布(ΔZs)是注入離子面積濃度關於離子橫向(在X-Y平面上)面積濃度峰的標準偏差。以一種公式表示，縱向散布可用式(1)計算
其中C(Z)是注入離子橫向面積濃度(每單位面積的離子量)；是離子注入量，由公式(2)可得出 發光反射鏡反射率已觀察到，發光反射鏡反射率的減小通過增加向前漏電流，增加雷射閾值電流水平而降低了VCSEL 10的光生成效率。但是，如以上所解釋的，已觀察到漏電流增加導致的雷射閾值電流水平增大會改善VCSEL的L-I特性曲線。此外，已觀察到以這種方式減小發光反射鏡的反射率會增加單模輸出光功率。
通過配置發射光反射鏡(例如VCSEL 10中的第一反射鏡14)使其對工作波長的光的反射率優選為99.0％-99.9％的範圍，更優選為99.3％-99.7％的範圍，並配置非發光反射鏡(例如VCSEL 10中的第二反射鏡16)使其對工作波長的光的反射率大於99.9％，來改善VCSEL性能。
延伸的腔區厚度通過配置腔延伸區26使其具有大於工作波長2倍的縱向(Z)厚度，來改善VCSEL性能。在某些實施方式中，腔延伸區的光學厚度小於工作波長的約20倍。
如圖3中所示的，在某些實施例中，腔延伸區包括鄰接第一反射鏡14的第一部分42和鄰接第二反射鏡16的第二部分44。在其它方面，腔延伸區42和44與圖1的VCSEL實施例中的腔延伸區26相同。
II.VCSEL 10的示例件實施方式在某些VCSEL 10的示例性實施方式中，活性區19的縱向光學厚度基本等於工作波長，腔延伸區26的縱向光學厚度基本等於1/2工作波長的整數倍，並在工作波長的2倍-16倍範圍內。第一反射鏡14是DBR反射鏡疊層，具有摻雜為p型的21對反射鏡層；第二反射鏡16是DBR反射鏡疊層，具有摻雜為n型的40對反射鏡層。雷射波長在780nm-850nm之間，標稱目標波長為840nm。DBR反射鏡14和16分別由四分之一波長的名義上為Al0.2Ga0.8As疊層和Al0.9Ga0.1As疊層組成。高摻雜接觸層和電流分布器置於第一p型DBR反射鏡14頂上，以保證良好的接觸和電流分布。
注入孔隙32的直徑優選為小於12μm。由p型電接頭34所限定的開口直徑優選為小於10μm。在注入孔隙直徑約為10μm的實施例中，由p型電接頭所限定的開口直徑約為6μm。n型電接頭置於襯底18上。注入質子形成電流抑制區28的注入能量為190keV。使用單獨的較深注入(直徑為25μm)來限制通過結的橫向漏電流。
根據延伸腔區的長度，對於高置偏電流，可獲得DC(直流)操作下的單模雷射(即邊模抑制比(SMSR)大於30dB)。例如，對於具有厚度是工作波長10.5倍的、由對應於第二n型反射鏡疊層16的第一層的材料形成的腔延伸區26的VCSEL，在約9mA的工作電流偏置和2.5V的工作電壓偏置下已觀察到不會發生模式切換的大於2.5mW的單模光輸出。
圖4示出了對於VCSEL 10示例性實施方式的不同實施方式，光功率(LOP)和電壓(V)作為向前注入電流(電流)的函數作圖的曲線。圖5示出了對於圖1的VCSEL實施方式，邊模抑制比作為偏置電流的函數作圖的曲線。
III.結論總而言之，這裡所述實施例以單模垂直腔面發射雷射器(VCSEL)為特徵，這些VCSEL包含一組用來改善單模輸出光功率性能的特徵。與直觀認識相悖，這種特徵組合會對特意的高漏電流的電流均一性和更低的發射反射鏡反射率產生槓桿作用，這樣提高了雷射電流閾值，從而形成更高單模輸出功率的VCSEL。這樣允許形成電流孔隙更大(從而，靜電放電閾值更低，串聯電阻更低)、單模輸出光功率更高的VCSEL。
其他實施方式也在權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種可用來在工作波長下產生單模雷射的垂直腔面發射雷射器，包括光發射表面；和整塊的縱向疊層結構，其包括第一反射鏡，其對所述工作波長的光的光反射率為R1，第二反射鏡，其對所述工作波長的光的光反射率為R2，其中R1和R2的值不相同，一個大於99.9％，另一個小於99.7％，腔區，其設置在所述第一反射鏡和所述第二反射鏡之間，並包括活性光產生區和腔延伸區；其中所述縱向疊層結構還包括離子注入電流抑制區，所述離子注入電流抑制區的特徵為距離所述腔區的縱向距離大於0.5μm的縱向注入濃度峰。
2.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，還包括設置在所述光發射表面上並限定出孔隙的金屬接頭，其中所述離子注入電流抑制區限定出的電流孔隙大於所述金屬接頭的孔隙。
3.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其中R1和R2都至少為99.5％。
4.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其中所述腔延伸區的縱向光學厚度大於所述工作波長的2倍。
5.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其中所述腔延伸區的縱向光學厚度小於所述工作波長的約20倍。
6.如權利要求1所述的VCSEL，其中所述第一反射鏡和所述第二反射鏡中的每一個都分別包括不同折射率材料的交替層的疊層，所述交替層中的每個層的縱向光學厚度大致等於所述工作波長的1/4，並且不包括所述腔延伸區的所述腔區的縱向光學厚度基本等於所述工作波長。
7.如權利要求6所述的垂直腔面發射雷射器，其中所述腔延伸區鄰接所述第一反射鏡和第二反射鏡的所述交替層的其中之一。
8.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其中所述腔延伸區的縱向光學厚度大致等於所述工作波長的1/2的整數倍。
9.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其中所述腔延伸區設置為鄰接所述第二反射鏡，並具有與所述第二反射鏡疊層中的不同折射率材料的其中一種材料相同的組成。
10.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其中所述腔延伸區設置在所述活性光產生區和所述第二反射鏡之間。
11.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其中所述腔延伸區的第一部分鄰接所述第一反射鏡，所述腔延伸區的第二部分鄰接所述第二反射鏡。
12.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其中所述離子注入電流抑制區用縱向散布來表徵，且縱向注入濃度峰距離所述腔區的縱向距離大於所述縱向散布的3倍。
13.如權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其中所述電流抑制區限定出直徑小於12微米的電流孔隙。
14.兩個或多個垂直腔面發射雷射器組成的陣列，每個垂直腔面發射雷射器包括光發射表面；和整塊的縱向疊層結構，其包括第一反射鏡，其對所述工作波長的光的光反射率為R1，第二反射鏡，其對所述工作波長的光的光反射率為R2，其中R1和R2的值不相同，一個大於99.9％，另一個小於99.7％，腔區，其設置在所述第一反射鏡和所述第二反射鏡之間，並包括活性光產生區和腔延伸區；其中所述縱向疊層結構還包括離子注入電流抑制區，所述離子注入電流抑制區的特徵為距離所述腔區的縱向距離大於0.5μm的縱向注入濃度峰。
15.一種製備垂直腔面發射雷射器的方法，包括形成光發射表面和整塊縱向疊層結構，所述整塊縱向疊層結構包括第一反射鏡，其對所述工作波長的光的光反射率為R1，第二反射鏡，其對所述工作波長的光的光反射率為R2，其中R1和R2的值不相同，一個大於99.9％，另一個小於99.7％，腔區，其設置在所述第一反射鏡和所述第二反射鏡之間，包括活性光產生區和腔延伸區；其中所述縱向疊層結構還包括離子注入電流抑制區，所述離子注入電流抑制區的特徵為距離所述腔區的縱向距離大於0.5μm的縱向注入濃度峰。
16.如權利要求15所述的方法，還包括在所述光發射表面上形成限定出孔隙的金屬接頭的步驟，其中所述離子注入電流抑制區限定出的電流孔隙大於所述金屬接頭的孔隙。
17.如權利要求15所述的方法，其中所述腔延伸區的縱向光學厚度大於所述工作波長的2倍並小於所述工作波長的約20倍。
18.如權利要求15所述的方法，其中所述第一反射鏡和第二反射鏡中的每一個都分別包括不同折射率材料的交替層的疊層，所述交替層中的每個層的縱向光學厚度大致等於所述工作波長的1/4，並且不包括所述腔延伸區的所述腔區的縱向光學厚度基本等於所述工作波長。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述腔延伸區的縱向光學厚度大致等於所述工作波長的1/2的整數倍。
20.如權利要求18所述的方法，其中所述腔延伸區設置為鄰接所述第二反射鏡，並具有與所述第二反射鏡疊層中的不同折射率材料的其中一種材料相同的組成。
全文摘要
本發明公開了垂直腔面發射雷射器(VCSEL)及其製造方法。一方面，VCSEL可用來在工作波長下產生單模雷射。這種VCSEL包括光發射表面和整塊縱向疊層結構。縱向疊層結構包括第一反射鏡、第二反射鏡和腔區。腔區設置在第一反射鏡和第二反射鏡之間，包括活性光產生區和腔延伸區。縱向疊層結構還包括離子注入電流抑制區。本發明還描述了包含上述VCSEL的VCSEL陣列以及製造上述VCSEL的方法。
文檔編號H01S5/42GK1612433SQ20041008045
公開日2005年5月4日 申請日期2004年10月10日 優先權日2003年10月27日
發明者伯納德·烏爾裡克·克勒, 斯科特·W·科爾扎因, 蘿拉·焦瓦尼, 鄭安年 申請人:安捷倫科技有限公司