專利名稱：制造表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中的掩埋式隧道結(jié)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中的掩埋式隧道結(jié)的方法及這種類型的激光器。
背景技術(shù)：
表面發(fā)射激光二極管(英文為Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser(垂直諧振器表面發(fā)射激光器)或VCSEL)是其中光發(fā)射垂直于半導(dǎo)體芯片表面發(fā)生的半導(dǎo)體激光器。與傳統(tǒng)的邊緣發(fā)射激光二極管相比，表面發(fā)射激光二極管具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，如低電功耗、可以在晶片上直接檢查激光二極管、與玻璃纖維簡單耦接選擇、縱單模光譜、以及可以與二維矩陣互連表面發(fā)射激光二極管。
在光纖通訊技術(shù)領(lǐng)域中，因?yàn)椴ㄩL相關(guān)耗散或吸收，需要波長范圍約1.3至2μm的VCSEL，特別是在1.31μm至1.55μm波長左右的。目前已經(jīng)使用InP基連接半導(dǎo)體生產(chǎn)出具有應(yīng)用能力性質(zhì)的長波激光二極管，特別是在1.3μm以上的波長范圍。GaAs基VCSEL適用于＜1.3μm的較短波長范圍。目前，已經(jīng)進(jìn)行嘗試以下方法來解決這一問題在1.55μm下以1mW的功率發(fā)射的連續(xù)波VCSEL例如由具有異質(zhì)層或鏡面的InP基襯底構(gòu)成(IEEE Photonics Technology Letters，Volume 11，Number 6，June 1999，pp.629-631)。另一種提議涉及在1.526μm連續(xù)發(fā)射的VCSEL，其采用InP/InGaAsP有源區(qū)與多個(gè)GaAs/AlGaAs反射鏡(mirror)的晶片連接生產(chǎn)(Applied Physics Letters，Volume 78，Number 18，pp.2632-2633，2001年4月30日)。具有空氣-半導(dǎo)體反射鏡(InP-空氣間隙DBR，分布布拉格反射器)的VCSEL在IEEE ISLC 2002，pp.145-146中提出。在此情況下，在有源區(qū)與上DBR反射鏡之間應(yīng)用隧道接觸(即，隧道結(jié))，由此通過底切隧道接觸層實(shí)現(xiàn)電流限制。圍繞剩余隧道接觸區(qū)的空氣間隙用作光場的波導(dǎo)。
另外，從26thEuropean Conference on Optical Communication，ECOC 2000時(shí)的出版物“88℃，Continuous-Wave Operation of 1.55μm Vertical-CavitySurface-Emitting Lasers”中已知一種具有銻化物基反射鏡的VCSEL，其中底切InGaAs有源區(qū)由與AlGaAsSb DBR反射鏡鄰接的兩個(gè)n摻雜InP層圍繞。
然而，借助具有掩埋式隧道接觸(英語為buried tunnel junction(掩埋式隧道結(jié))，BTJ)的VCSEL，出現(xiàn)了關(guān)于輸出、工作溫度范圍和調(diào)制帶寬的最優(yōu)性質(zhì)。以下，將參照圖1介紹掩埋式隧道結(jié)的生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)。使用分子束外延(英文為molecular beam epitaxy(分子束外延)，MBE)，生產(chǎn)具有最小能帶間隔的高摻雜p+/n+層對101、102。實(shí)際隧道結(jié)103形成在這些層之間。使用反應(yīng)離子蝕刻(英文為reactive ion etching(反應(yīng)離子蝕刻)，RIE)，形成圓形或橢圓形區(qū)域，其主要由n+摻雜層102、隧道結(jié)103和部分或全部p+摻雜層101形成。此區(qū)域在第二外延過程中由n摻雜InP(層104)覆蓋，從而“掩埋”隧道結(jié)103。在施加電壓時(shí)，覆蓋層104與p+摻雜層101之間的接觸(即，結(jié))區(qū)起邊界層的作用。電流流經(jīng)通常具有3×10-6Ωcm2電阻率的隧道結(jié)。在此情形下，電流可以限制于有源區(qū)108的實(shí)際區(qū)域。另外，產(chǎn)生的熱較低，因?yàn)殡娏鲝母邭W姆p摻雜流向低歐姆n摻雜層。
隧道結(jié)的過生長(overgrowth)導(dǎo)致了厚度的微小變化，其對橫向波導(dǎo)起負(fù)面影響，使得高橫模的發(fā)生被促進(jìn)，特別是在較大孔徑(aperture)的情況下。由此，對于單模工作，僅小孔徑可以使用，具有較低的對應(yīng)激光功率-特別是玻璃光纖通訊技術(shù)中需要。此概念的另一缺點(diǎn)在于掩埋式隧道接觸的過生長所需要的兩次外延。與GaAs基短波VCSEL類似，僅一次外延的生產(chǎn)工藝-從產(chǎn)率和成本考慮-將是明顯有利的。
具有掩埋式隧道結(jié)的VCSEL的示例和應(yīng)用例如可在以下文獻(xiàn)中找到“Low-threshold index-guided 1.5μm long wavelength vertical-cavitysurface-emitting laser with high efficiency”，Applied Physics Letter，Volume 76，Number 16，pp.2179-2181，2000年4月17日；“Long Wavelength BuriedTunnel Junction Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers”，Adv.in Solid StatePhys.41，75至85，2001；“Vertical-cavity surface-emitting laser diodes at1.55μm with large output power and high operation temperature”，ElectronicsLetters，Volume 37，Number 21，pp.1295-1296，2001年10月11日；“90℃Continuous-Wave Operation of 1.83μm Vertical-Cavity Surface-EmittingLasers”，IEEE Photonics Technology Letters，Volume 12，Number 11，pp.1435至1437，2000年11月；以及“High-speed modulation up to 10 Gbit/s with1.55μm wavelength InGaAlAs VCSELs”，Electronics Letters，Volume 38，Number 20，2002年9月26日。
下面，將基于圖1中介紹的掩埋式隧道結(jié)的構(gòu)造，參照圖2簡要說明上述文獻(xiàn)中提出的InP基VCSEL的結(jié)構(gòu)。
在此結(jié)構(gòu)中，掩埋式隧道結(jié)(BTJ)反向排列，使得有源區(qū)106設(shè)置在p+摻雜層101與n+摻雜層102之間的直徑為DBTJ的隧道結(jié)上方。激光束在箭頭116所指的方向上射出。有源區(qū)106由p摻雜層105(InAlAs)和n摻雜層108(InAlAs)圍繞。有源區(qū)106上的表面?zhèn)确瓷溏R109由具有約35對InGaAlAs/InAlAs層的外延DBR構(gòu)成，由此得到約99.4％的反射率。后反射鏡112由作為DBR的介電層疊構(gòu)成，且由金層封閉，由此獲得幾乎99.75％的反射率。絕緣層113防止n型InP層104與通常由金或銀構(gòu)成的p側(cè)接觸層114直接接觸(關(guān)于這一點(diǎn)見DE 101 07 349 A1)。
介電反射鏡112與集成的接觸層114和熱沉(heat sink)115構(gòu)成的組合導(dǎo)致與外延多層結(jié)構(gòu)相比明顯增大了的熱導(dǎo)率。電流經(jīng)接觸層114或經(jīng)集成的熱沉115和n側(cè)接觸點(diǎn)110注入。對于涉及圖2所示類型的VCSEL的制造和性質(zhì)的其它細(xì)節(jié)，請?jiān)俅螀⒄找陨纤形墨I(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于特別提出一種具有掩埋式隧道結(jié)的InP基表面發(fā)射激光二極管(BTJ-VCSEL)，其可以更加經(jīng)濟(jì)地且以更高的產(chǎn)量制造。另外，即使對于較大的孔徑，橫單模工作也是穩(wěn)定的，由此可以實(shí)現(xiàn)總體上更高的單模輸出。根據(jù)本發(fā)明的用于制造表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中的掩埋式隧道結(jié)的方法，該激光器具有由第一n摻雜半導(dǎo)體層和至少一個(gè)p摻雜半導(dǎo)體層圍繞的有pn結(jié)的有源區(qū)、以及在有源區(qū)的p側(cè)的與第二n摻雜半導(dǎo)體層鄰接的隧道結(jié)，該方法包括以下步驟在第一步驟中，用于隧道結(jié)的層借助特定材料蝕刻被橫向腐蝕直至隧道結(jié)的期望直徑，從而留下圍繞隧道結(jié)的蝕刻間隙。在第二步驟中，在適當(dāng)氣氛下加熱隧道結(jié)，直至蝕刻間隙被來自鄰接隧道結(jié)的至少一個(gè)半導(dǎo)體層的物質(zhì)輸運(yùn)(mass transport)封閉。與隧道結(jié)鄰接的半導(dǎo)體層為隧道結(jié)的背離有源區(qū)的一側(cè)的第二n摻雜半導(dǎo)體層和隧道結(jié)的面向有源區(qū)的一側(cè)的p摻雜半導(dǎo)體層。
若與隧道結(jié)鄰接的上述半導(dǎo)體層中的至少一層由磷化物構(gòu)成，特別是InP，則對上述物質(zhì)輸運(yùn)技術(shù)(MTT)是特別有益的。
通過使用上述物質(zhì)輸運(yùn)技術(shù)，本發(fā)明解決了兩次外延的問題和內(nèi)建橫向波導(dǎo)的問題。于是，MTT取代了第二外延工藝，并由此避免了其它方式下的橫向厚度變化的發(fā)生，結(jié)果得到了強(qiáng)橫向波導(dǎo)。掩埋隧道結(jié)不再通過過生長發(fā)生，而是通過底切隧道結(jié)層，隨后借助來自相鄰層的物質(zhì)輸運(yùn)封閉被蝕刻區(qū)域來發(fā)生。按此方式，表面發(fā)射激光二極管可以更加經(jīng)濟(jì)地且以更高的產(chǎn)量制造。另外，即使對于較大的孔徑橫單模運(yùn)行仍然穩(wěn)定，這產(chǎn)生了更高的單模性能。
物質(zhì)輸運(yùn)技術(shù)在80年代早期在其它情形下得以使用，用來制造基于InP的所謂掩埋式異質(zhì)結(jié)構(gòu)(BH)激光二極管的掩埋式有源區(qū)(見“Study andapplication of the mass transport phenomenon in InP”，Journal of AppliedPhysics 54(5)，May 1983，pp.2407-2411，以及“A novel technique forGaInAsP/InP buried heterostructure laser fabrication”，Applied Physics Letter40(7)，April 1，1982，pp.568-570)。然而，因?yàn)槊黠@的退化問題，發(fā)現(xiàn)該方法不能令人滿意。通過MTT制造的激光器的這種退化歸因于對有源區(qū)的橫向蝕刻側(cè)面的侵蝕，其無法通過MTT充分地在質(zhì)量上得到保護(hù)。對物質(zhì)輸運(yùn)技術(shù)的細(xì)節(jié)和實(shí)施，參見上述文獻(xiàn)引用。
已發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)輸運(yùn)技術(shù)中的阻礙可用BH激光器的實(shí)現(xiàn)的上述老化機(jī)制在隧道結(jié)的嵌入中不起作用，因?yàn)榇藭r(shí)沒有如激光器的有源區(qū)中那樣的高度激發(fā)的電子-空穴-等離子體，且因此導(dǎo)致退化問題的表面發(fā)射組合不會出現(xiàn)。
本發(fā)明的物質(zhì)輸運(yùn)VCSEL(MT-VCSEL)使得可以制造技術(shù)上更簡單且更好的-在最大單模性能方面-長波VCSEL，特別是基于InP的。
物質(zhì)輸運(yùn)工藝優(yōu)選在包括例如H2和PH3的磷氣氛下在加熱部件期間進(jìn)行。優(yōu)選的溫度范圍在500和800℃之間，優(yōu)選在500和700℃之間。物質(zhì)輸運(yùn)技術(shù)中的一種選擇是在加熱至670℃并接著在此溫度保持一段額外的時(shí)間(總處理過程約1小時(shí))的過程中在流動氣氛下以H2和PH3處理晶片。氫氣氛下利用InP層的實(shí)驗(yàn)也獲得了InP的物質(zhì)輸運(yùn)。
由于物質(zhì)輸運(yùn)工藝，蝕刻的間隙封閉并掩埋了隧道結(jié)。由于InP的高能帶間隔和低摻雜，所以與隧道結(jié)相鄰且被物質(zhì)輸運(yùn)所封閉的區(qū)域不表現(xiàn)為隧道結(jié)，由此阻擋了電流。另一方面，因?yàn)镮nP的高熱導(dǎo)率，這些區(qū)域充分有助于散熱。
為制造根據(jù)本發(fā)明的表面發(fā)射激光二極管，有利的是以外延初始結(jié)構(gòu)開始，其中，順序地涂覆施加在有源區(qū)的p側(cè)上的p摻雜半導(dǎo)體層、用于隧道結(jié)的層、以及第二n摻雜半導(dǎo)體層，其中最初通過光刻和/或蝕刻(例如反應(yīng)離子蝕刻(RIE))形成圓形或橢圓形凸頭(stamp)，其側(cè)面垂直于層圍繞第二n摻雜半導(dǎo)體層和用于隧道結(jié)的層、并至少延伸到隧道結(jié)層下面，然后進(jìn)行隧道結(jié)層的根據(jù)本發(fā)明的底切和借助物質(zhì)輸運(yùn)的隧道結(jié)的掩埋。
按此方式獲得的結(jié)構(gòu)理想地適于制造表面發(fā)射激光二極管。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供另一半導(dǎo)體層，其于有源區(qū)的p側(cè)與第二n摻雜半導(dǎo)體層相連，隧道結(jié)的在該處的一側(cè)背離有源區(qū)。此額外的半導(dǎo)體層本身鄰接第三n摻雜半導(dǎo)體層，其中此額外半導(dǎo)體層初始還通過材料的選擇性蝕刻蝕掉，橫向直至期望的直徑，隨后在適合的氣氛下加熱，直到蝕刻間隙被來自鄰近該額外的半導(dǎo)體層的n摻雜半導(dǎo)體層中的至少一層的物質(zhì)輸運(yùn)封閉。
關(guān)于這一點(diǎn)，如果與根據(jù)本發(fā)明的掩埋式隧道結(jié)的對應(yīng)制造同時(shí)地進(jìn)行橫向材料選擇性蝕刻和物質(zhì)輸運(yùn)工藝，則是有益的。
若使用諸如例如InGaAsP的材料作為額外的半導(dǎo)體層，其與隧道結(jié)的材料(諸如例如InGaAs)不同，則優(yōu)點(diǎn)在于可以采用差異橫向蝕刻(differentlateral etching)，由此通過額外半導(dǎo)體層的直徑限定的橫向波導(dǎo)可以變得比其直徑對應(yīng)于隧道結(jié)的直徑的有源區(qū)寬。此實(shí)施例由此使得可以受控地調(diào)整與電流孔徑分隔開的橫向波導(dǎo)。為此，此額外的半導(dǎo)體層不設(shè)置在縱向電場的波節(jié)處而是在波腹(最大)處。
該額外的半導(dǎo)體層的帶隙應(yīng)比有源區(qū)的大，從而防止光吸收。
若隧道結(jié)由InGaAs、InGaAsP或InGaAlAs構(gòu)成，則使用比例為3∶1∶1至3∶1∶20的H2SO4∶H2O2∶H2O蝕刻溶液的濕法化學(xué)蝕刻工藝顯示出有利于材料選擇性蝕刻。
根據(jù)本發(fā)明方法制造的表面發(fā)射半導(dǎo)體中的掩埋式隧道結(jié)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)與使用第二外延工藝的隧道結(jié)的過生長的先前方案相比，現(xiàn)在僅需一次外延工藝，因此激光二極管更加經(jīng)濟(jì)且可以以更高的產(chǎn)量制造。在使用InP用于物質(zhì)輸運(yùn)工藝時(shí)，橫向區(qū)域圍繞隧道結(jié)，其阻擋橫向來自隧道結(jié)的電流，同時(shí)有利于向相鄰層內(nèi)的熱傳導(dǎo)。另外，根據(jù)本發(fā)明的表面發(fā)射半導(dǎo)體僅具有非常低的內(nèi)建波導(dǎo)，其便于穩(wěn)定橫單模工作，即使對于較大的孔徑，且由此獲得了與先前方案相比總體更高的單模性能。
根據(jù)本發(fā)明的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器在權(quán)利要求11中介紹；優(yōu)選實(shí)施例在各從屬權(quán)利要求中介紹。此表面發(fā)射半導(dǎo)體的各個(gè)優(yōu)點(diǎn)主要參照對根據(jù)本發(fā)明的方法的描述介紹。由以下示例性實(shí)施例，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和實(shí)施例將更加明顯易懂。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器內(nèi)的掩埋式隧道結(jié)的圖示；圖2為穿過具有掩埋式隧道結(jié)的現(xiàn)有技術(shù)表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(BTJ-VCSEL)的截面圖；圖3示出用于根據(jù)本發(fā)明的物質(zhì)輸運(yùn)VCSEL(MT-VCSEL)的一般外延初始結(jié)構(gòu)的示意截面圖；圖4示出具有所形成的凸頭的圖3結(jié)構(gòu)；圖5示出具有更深地形成的凸頭的圖3結(jié)構(gòu)；圖6示出底切隧道結(jié)層后的根據(jù)圖4的結(jié)構(gòu)；圖7示出物質(zhì)輸運(yùn)工藝后的根據(jù)圖6的結(jié)構(gòu)；圖8示出根據(jù)本發(fā)明的MT-VCSEL的示意截面圖；圖9示出外延初始結(jié)構(gòu)的改進(jìn)實(shí)施例；以及圖10示出本發(fā)明又一實(shí)施例的示意截面圖。
具體實(shí)施例方式
在說明書的開頭，介紹了根據(jù)圖1或2的掩埋式隧道結(jié)和具有該類隧道結(jié)的表面發(fā)射激光二極管的制造和結(jié)構(gòu)。下面，將參照圖3至10更加詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施例。
圖3示意性示出用于根據(jù)本發(fā)明的MT-VCSEL的一般外延初始結(jié)構(gòu)。以InP襯底S開始，順序沉積n摻雜外延布拉格反射鏡6、有源區(qū)5、可選的p摻雜InAlAs層4、p摻雜底InP層3、處于縱向電場的波結(jié)(最小)中的包括高p和n摻雜半導(dǎo)體層中的每一種的至少一層的隧道結(jié)1、n摻雜上InP層2、以及n+摻雜上接觸層7。
接著，通過光刻和蝕刻，在具有根據(jù)圖3的初始結(jié)構(gòu)的晶片上形成圓形或橢圓形凸頭(stamp)。該凸頭在圖4和5中以橫截面示出。它們至少延伸至具有厚度d的隧道結(jié)1的下面(見圖4)，或至下p型InP層3(見圖5)，由此邊緣3a被蝕刻入此下層3中。凸頭直徑(w+2h)通常比通常設(shè)置為3至20μm的孔徑直徑w大5至20μm，從而h約為3至10μm。在這一點(diǎn)上，h(見圖6)表示用于隧道結(jié)1的層的底切區(qū)域B的寬度。
現(xiàn)在，如圖6所示，通過材料選擇性蝕刻橫向腐蝕隧道結(jié)1，而不蝕刻其周圍的層，此處為n摻雜上InP層2和p摻雜下InP層3。使用通常h＝2至10μm的隧道結(jié)1(或用于隧道結(jié)的層)的橫向底切，以限定孔徑A，其對應(yīng)于剩余的隧道接觸區(qū)。若隧道結(jié)1由InGaAs、InGaAsP或InGaAlAs構(gòu)成，則材料選擇性蝕刻例如可以使用采用比例為3∶1∶1至3∶1∶20的H2SO4∶H2O2∶H2O蝕刻溶液的濕化學(xué)反應(yīng)(wet chemistry)。
現(xiàn)在，為了獲得具有圖6所示結(jié)構(gòu)的掩埋式隧道結(jié)1，根據(jù)本發(fā)明蝕刻的間隙，即橫向圍繞隧道結(jié)1的區(qū)域B，借助物質(zhì)輸運(yùn)工藝封閉。在此情況下，具有圖6所示結(jié)構(gòu)的晶片優(yōu)選在500至600℃下在磷氣氛下被加熱一段時(shí)間。通常的時(shí)間為5至30分鐘。在此工藝期間，少量的InP分別從上和/或下InP層2或3移動到先前蝕刻的間隙中，結(jié)果將其封閉。
物質(zhì)輸運(yùn)工藝的結(jié)果在圖7中示出。區(qū)域1a中輸運(yùn)的InP現(xiàn)在橫向地封閉了隧道結(jié)1(將其掩埋)。因?yàn)镮nP的高能帶間隔和低摻雜，區(qū)域1a不表現(xiàn)為隧道結(jié)，因此阻擋了電流。因此，具有直徑w(見圖6)的被有源區(qū)5的電流穿過的區(qū)域基本對應(yīng)于隧道結(jié)1的區(qū)域(圖6中的孔徑A)。另一方面，由InP組成且具有環(huán)寬度h的環(huán)形區(qū)域1a充分有助于經(jīng)上InP層2的散熱，因?yàn)镮nP的高熱導(dǎo)率。
為了獲得最終MT-VCSEL的對根據(jù)圖7的結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步加工對應(yīng)于形成BTJ-VCSEL的公知技術(shù)，由于這已在開頭和引述文獻(xiàn)中介紹，而將不在此出更詳細(xì)地介紹。圖8示出了完成的根據(jù)本發(fā)明的MT-VCSEL。在此情況下，用9表示集成金熱沉；8表示介電反射鏡，其鄰接上n摻雜InP層2且被金熱沉9圍繞；7a表示環(huán)形結(jié)構(gòu)的n側(cè)接觸層；10為絕緣鈍化層，由例如Si3N4或Al2O3構(gòu)成，其保護(hù)p摻雜下和n摻雜上InP層3、2兩者免于與p側(cè)接觸11或金熱沉9直接接觸。p側(cè)接觸11使用例如Ti/Pt/Au制成。12表示由例如Ti/Pt/Au制成的n側(cè)接觸。
關(guān)于這一點(diǎn)，注意，此處示作勻質(zhì)層的有源區(qū)5通常由例如11個(gè)薄層(5個(gè)量子膜層和6個(gè)勢壘層)的層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
圖9中示出了外延初始結(jié)構(gòu)的改進(jìn)實(shí)施例，其中在有源區(qū)5下方插入了額外的n摻雜InP層6a。此層加強(qiáng)了從有源區(qū)5的橫向排熱，因此降低了其溫度。
本發(fā)明的另一實(shí)施例在圖10中示出。此處，在兩個(gè)上覆層中應(yīng)用物質(zhì)輸運(yùn)技術(shù)，其中優(yōu)選單次物質(zhì)輸運(yùn)工藝對隧道結(jié)層和對額外的半導(dǎo)體層21兩者實(shí)施。圖10中，此額外的半導(dǎo)體層21設(shè)置在隧道結(jié)1上方。額外的半導(dǎo)體層21鄰接兩個(gè)n摻雜InP層2、2’。橫向包圍該額外的半導(dǎo)體層21的區(qū)域20由InP構(gòu)成，其借助物質(zhì)輸運(yùn)達(dá)到了先前底切的區(qū)域20中，并將其封閉。
在額外的半導(dǎo)體層21的折射率與周圍的InP不同的范圍內(nèi)，此層21形成了受控的橫向波導(dǎo)。為此，此層不設(shè)置在縱向電場的波節(jié)內(nèi)，而在波腹(最大)內(nèi)。在使用不同的半導(dǎo)體，諸如例如InGaAs用于隧道結(jié)1且InGaAsP用于額外的半導(dǎo)體層21時(shí)，可以使用差異橫向蝕刻，由此由層21的直徑限定的橫向波導(dǎo)變得比有源區(qū)5的直徑等于隧道結(jié)1的直徑的有源范圍更寬。此實(shí)施例由此使得可以受控地調(diào)整與電流孔分隔開的橫向波導(dǎo)。
權(quán)利要求
1.一種制造表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中的掩埋式隧道結(jié)(1)的方法，該激光器具有由第一n摻雜半導(dǎo)體層(6)和至少一個(gè)p摻雜半導(dǎo)體層(3、4)圍繞的具有pn結(jié)的有源區(qū)(5)，且在有源區(qū)(5)的p側(cè)具有鄰接第二n摻雜半導(dǎo)體層(2)的隧道結(jié)(1)，其中用于隧道結(jié)(1)的層在第一步驟中借助材料選擇性蝕刻被橫向腐蝕直至隧道結(jié)(1)的所需直徑，并在第二步驟中在適合的氣氛下被加熱，直至蝕刻間隙被來自至少一個(gè)鄰接隧道結(jié)(1)的半導(dǎo)體層(2、3)的物質(zhì)輸運(yùn)封閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中鄰接隧道結(jié)(1)的半導(dǎo)體層(2、3)中的至少一個(gè)由磷化物構(gòu)成，優(yōu)選由InP構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中作為所述第二步驟中的氣氛，磷氣氛，優(yōu)選為PH3和氫，被使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的一項(xiàng)所述的方法，其中所述第二步驟中的溫度被選擇在500至800℃之間，優(yōu)選在500至600℃之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的一項(xiàng)所述的方法，其中以表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器的外延初始結(jié)構(gòu)開始，其中p摻雜半導(dǎo)體層(3)、用于隧道結(jié)(1)的層、以及第二n摻雜半導(dǎo)體層(2)順序施加在有源區(qū)(5)的p側(cè)上，使用光刻和/或蝕刻形成圓形或橢圓形凸頭，其側(cè)面包圍第二n摻雜半導(dǎo)體層(2)和用于隧道結(jié)(1)的層，并至少延伸到用于隧道結(jié)(1)的層的下面，且接著為形成掩埋式隧道結(jié)(1)實(shí)施所述第一和所述第二步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的一項(xiàng)所述的方法，其中在有源區(qū)(5)的p側(cè)，額外的半導(dǎo)體層(21)鄰接第二n摻雜半導(dǎo)體層(2)，所述半導(dǎo)體層(21)又與第三n摻雜半導(dǎo)體層(2’)鄰接，從而此額外的半導(dǎo)體層(21)借助材料選擇性蝕刻被橫向腐蝕直到所需直徑，然后在適合的氣氛下被加熱直至蝕刻間隙被來自鄰接額外的半導(dǎo)體層(21)的半導(dǎo)體層(2、2’)中的至少一個(gè)的物質(zhì)輸運(yùn)封閉。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中將不同的半導(dǎo)體用于額外的半導(dǎo)體層(21)和隧道結(jié)(1)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中InGaAsP用于額外的半導(dǎo)體層(21)，InGaAs用于隧道結(jié)(1)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中的一項(xiàng)所述的方法，其中額外的半導(dǎo)體層(21)設(shè)置在縱向電場的最大處，而隧道結(jié)(1)設(shè)置在縱向電場的最小處。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的一項(xiàng)所述的方法，其中對于材料選擇性蝕刻，若隧道結(jié)(1)由InGaAs、InGaAsP或InGaAlAs構(gòu)成，則以3∶1∶1至3∶1∶20的比例使用H2SO4∶H2O2∶H2O作為蝕刻溶液。
11.一種表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，具有由第一n摻雜半導(dǎo)體層(6)和至少一個(gè)p摻雜半導(dǎo)體層(3、4)圍繞的具有pn結(jié)的有源區(qū)(5)、以及在有源區(qū)(5)的p側(cè)的與第二n摻雜半導(dǎo)體層(2)鄰接的隧道結(jié)(1)，其中隧道結(jié)(1)被區(qū)域(1a)橫向地包圍，其將第二n摻雜半導(dǎo)體層(2)與p摻雜半導(dǎo)體層(3、4)中的一個(gè)連接，且通過物質(zhì)輸運(yùn)由這些相鄰層(2、3)中的至少一個(gè)形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中鄰接隧道結(jié)(1)的半導(dǎo)體層(2、3)中的至少一個(gè)由磷化物構(gòu)成，優(yōu)選由InP構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其特征在于，作為該至少一個(gè)p摻雜半導(dǎo)體層，p摻雜InAlAs層(4)與有源區(qū)(5)毗鄰，該p摻雜InAlAs層(4)之后是p摻雜InP層(3)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中的一項(xiàng)所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中隧道結(jié)(1)設(shè)置在縱向電場的最小處。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中的一項(xiàng)所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中在有源區(qū)(5)與第一半導(dǎo)體層(6)之間存在額外的n摻雜半導(dǎo)體層(6a)，其被構(gòu)造為半導(dǎo)體反射鏡。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中的一項(xiàng)所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中存在額外的半導(dǎo)體層(21)，其同鄰接隧道結(jié)(1)的第二n摻雜半導(dǎo)體層(2)毗鄰，且其本身鄰接第三n摻雜半導(dǎo)體層(2’)，從而此額外的半導(dǎo)體層(21)被區(qū)域(20)橫向地圍繞，其將第二n摻雜半導(dǎo)體層(2)與第三n摻雜半導(dǎo)體層(2’)連接，且借助來自這兩層(2、2’)中的至少一個(gè)的物質(zhì)輸運(yùn)形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中額外的半導(dǎo)體層(21)的折射率與兩個(gè)周圍層(2、2’)中的一個(gè)或兩者的折射率不同。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中額外的半導(dǎo)體層(21)設(shè)置在縱向電場的最大處。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18中的一項(xiàng)所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中額外的半導(dǎo)體層(21)和隧道結(jié)(1)由不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中額外的半導(dǎo)體層(21)由InGaAsP構(gòu)成，隧道結(jié)(1)由InGaAs構(gòu)成。
21.根據(jù)權(quán)利要求16至20中的一項(xiàng)所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中額外的半導(dǎo)體層(21)的直徑大于隧道結(jié)(1)的直徑。
22.根據(jù)權(quán)利要求16至21中的一項(xiàng)所述的表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，其中額外的半導(dǎo)體層(21)的帶隙大于有源區(qū)(5)的帶隙。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中的掩埋式隧道結(jié)(1)的方法、及此類型的激光器。所述激光器包括由第一n摻雜半導(dǎo)體層(6)和至少一個(gè)p摻雜半導(dǎo)體層(3、4)圍繞的含pn結(jié)的有源區(qū)(5)，以及有源區(qū)(5)的p側(cè)上的隧道結(jié)(1)，所述隧道結(jié)鄰接第二n摻雜半導(dǎo)體層(2)。為掩埋隧道結(jié)(1)，用于隧道結(jié)(1)的層在第一步驟中使用材料選擇性蝕刻被橫向地去除，直至達(dá)到所需直徑，并在第二步驟中在適合的氣氛下被加熱，直至蝕刻區(qū)域(1a)被來自鄰接隧道結(jié)(1)的半導(dǎo)體層(2、3)中的至少一個(gè)的物質(zhì)輸運(yùn)封閉。這使得可以以簡單的技術(shù)大產(chǎn)量地制造表面發(fā)射激光二極管，允許橫單模工作穩(wěn)定和后者的高性能。
文檔編號H01S5/323GK1717850SQ200380104438
公開日2006年1月4日 申請日期2003年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月27日
發(fā)明者馬庫斯－克里斯琴·阿曼 申請人:維特拉斯有限責(zé)任公司