專利名稱：具有集成的光探測器的長波長垂直腔表面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有集成的光探測器的長波長垂直腔表面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)。
背景技術(shù)：
通常，VCSEL二極管與光探測器結(jié)合用于功率監(jiān)控和基于功率監(jiān)控的自動功率控制(APC)。例如，在美國專利第5,943,357號中，通過晶片熔合(wafer fusion)光探測器被附著到長波長VCSEL。
圖1為熔合有光探測器的傳統(tǒng)VCSEL的簡化剖視圖。參考圖1，傳統(tǒng)的VCSEL包括依序沉積在襯底(未示出)上的分布型布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector，DBR)的上半導體層12、有源區(qū)11以及DBR的下半導體層13。有源區(qū)11為產(chǎn)生中心激光共振的腔。PIN光探測器20被熔合或粘接到具有這種結(jié)構(gòu)的VCSEL的底部。
如上所述，光探測器，例如PIN光探測器被附著到長波長VCSEL(例如1300至1600nm的長波長)的底部并監(jiān)控該VCSEL的功率輸出。通常，該附著技術(shù)可以是晶片粘接、晶片熔合或者透明金屬粘接。
由于工藝相關(guān)的問題，晶片熔合不適合大規(guī)模生產(chǎn)。而且，晶片熔合在光探測器和VCSEL之間的界面處造成電壓降。結(jié)果，必須增加輸入電壓的量。
傳統(tǒng)VCSEL的不利之處在于由于光探測器同時接收自發(fā)發(fā)射和VCSEL發(fā)射的光束，所以光探測器無法只精確地探測VCSEL的輸出。
參考圖2，由于自發(fā)發(fā)射產(chǎn)生的光以及由傳統(tǒng)VCSEL的有源區(qū)發(fā)射的激光束均被引入到除有源區(qū)之外的區(qū)域中。由于VCSEL的結(jié)構(gòu)與共振腔發(fā)光二極管(LED)大體相同，所以自發(fā)發(fā)射沿所有方向取向。
當VCSEL被設(shè)計成使得朝向VCSEL頂部的光束可以用作輸出時，VCSEL的下半導體層的DBR具有比它的上半導體層的DBR的折射率更高的折射率。因此，朝向VCSEL底部的激光束的強度比朝向VCSEL頂部的光束的強度相對低。由于VCSEL通常發(fā)射直徑大約為10μm的激光束，且自發(fā)發(fā)射沿所有方向取向，所以該激光束的強度高于在該激光束通過的光探測器的特定區(qū)域處(即，直接位于VCSEL中心下方的直徑大約為10μm的區(qū)域處)自發(fā)發(fā)射的強度。但是，被光探測器的整個區(qū)域接收到的自發(fā)發(fā)射的百分比很高。特別是，在圖1和2所示的VCSEL中，這種特征出現(xiàn)在底表面，光探測器20的具有大約200～300μm寬度的光接收表面被粘接到該底表面以便接收來自VCSEL的光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，其通過減小入射到光探測器上的自發(fā)發(fā)射的數(shù)量并增加入射到光探測器上的激光束的百分比可以更精確地探測激光束。
此外，該VCSEL可以通過減小該VCSEL和光探測器之間的界面處的電壓降來降低輸入電壓的量。
該VCSEL包括激光發(fā)射結(jié)構(gòu)，其包括發(fā)射激光束的有源區(qū)以及將有源區(qū)夾在其間的上和下半導體層；光探測器，其設(shè)置在該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)的底表面上；以及導電粘接層，其設(shè)置在激光發(fā)射結(jié)構(gòu)和光探測器之間并包括來自有源區(qū)的激光束穿過其中的局部窗口。


通過參考附圖詳細地描述本發(fā)明的示例性的實施例，本發(fā)明的以上和其它特征及優(yōu)點將變得更加清楚，其中圖1為具有光探測器的傳統(tǒng)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的簡化的垂直剖視圖；圖2示出了從傳統(tǒng)VCSEL至光探測器的激光束和自發(fā)發(fā)射流；圖3為根據(jù)本發(fā)明一示例性實施例的具有光探測器的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的簡化的垂直剖視圖；圖4為圖3中的VCSEL所采用的粘接層的俯視圖；以及圖5示出了從圖3中的VCSEL至圖3中的光探測器的激光束和自發(fā)發(fā)射流。
具體實施例方式
圖3示意性地示出了垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，其中一脊被形成在上半導體層上。該VCSEL為公知的激光發(fā)射結(jié)構(gòu)，其包括發(fā)生激光發(fā)射的有源區(qū)和其間插入有有源區(qū)的上、下半導體層。因而，以下該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)的詳細描述不限制本發(fā)明的技術(shù)范圍。
如圖3所示，激光發(fā)射結(jié)構(gòu)100包括有源區(qū)110，其為產(chǎn)生激光共振的腔；以及分布型布拉格反射器(DBR)的上、下半導體層120和130，在它們之間插入有有源區(qū)110。下半導體層130包括一襯底(未示出)。有源區(qū)110包括有源層111和其間插入有有源層111的覆蓋層112和113。有源層111包括量子阱層111a和其間插入有量子阱層111a的勢壘層111b和111c。上半導體層120相當于上鏡面疊層(mirror stack)并且包括脊120a。下半導體層130相當于下鏡面疊層并且與光探測器200相對。上接觸層120b覆蓋不包括脊120a的頂表面但包括其頂表面的邊緣的區(qū)域。
與傳統(tǒng)技術(shù)一樣，光探測器200附著到激光發(fā)射結(jié)構(gòu)100的底表面上。根據(jù)本發(fā)明的特征，光探測器200和激光發(fā)射結(jié)構(gòu)100通過粘接層300被粘接。粘接層300包括窗口310，其具有相當于激光束直徑的寬度，并且具有預定的厚度。因此，空氣隙存在于光探測器200和激光發(fā)射結(jié)構(gòu)的窗口310之間，也即，存在于光探測器200和該VCSEL之間。該空氣隙傳輸有源區(qū)110發(fā)射的并垂直入射到該空氣隙上的激光束。此外，該空氣隙反射自發(fā)發(fā)射的斜入射光，使得自發(fā)發(fā)射的光不能入射到光探測器200上。
粘接層300必須包括窗口310并優(yōu)選采用金屬粘接和共晶粘接?；蛘撸辰訉?00可以采用常規(guī)粘接。盡管出于簡便的考慮光探測器200的示出極為簡化，但它的結(jié)構(gòu)是公知的并且不限制本發(fā)明的技術(shù)范圍。
如圖4所示，粘接層300具有在粘接層300中心的圓形窗口310，激光發(fā)射結(jié)構(gòu)100發(fā)射的激光束從其中通過。依據(jù)設(shè)計條件，窗口310的尺寸和形狀可以變化。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的激光發(fā)射結(jié)構(gòu)(即VCSEL)通過采用適于大規(guī)模生產(chǎn)的金屬粘接的粘接層被粘接到光探測器(例如PIN光探測器)。特別是，金屬粘接大大降低了VCSEL和光探測器之間的界面處的電壓降。該粘接層包括用于只傳輸用來監(jiān)控VCSEL功率輸出的激光束而屏蔽掉自發(fā)發(fā)射的光的窗口。因此，如圖5所示，由于窗口310設(shè)置在VCSEL發(fā)射的激光束主要傳輸?shù)穆窂缴?，更具體地，設(shè)置在激光束沿VCSEL的垂直方向傳輸?shù)妮S線上，所以只有穿過窗口310的光入射到光探測器200上。即使一些自發(fā)發(fā)射的光垂直地穿過粘接層300的窗口310，但大多數(shù)被除了窗口310之外的粘接層300的區(qū)域阻擋。實際上，入射到光探測器200上的自發(fā)發(fā)射的光的百分比與激光束的百分比相比非常小，因此，可以更精確地監(jiān)控激光束。
優(yōu)選地，該窗口的直徑在1至100μm范圍內(nèi)。在粘接VCSEL和光探測器的粘接層中，空氣隙形成在VCSEL和光探測器之間的窗口內(nèi)。該空氣隙基于半導體層和空氣層的折射率之間的大的差異而用作濾光器。因此，該窗口反射以一角度入射的自發(fā)發(fā)射的光，由此降低入射到該光探測器上的自發(fā)發(fā)射的光量。
金屬粘接特別是共晶粘接可以是晶片級(wafer-level)粘接，例如非隔離(non-isolated)的VCSEL晶片與非隔離的光探測器晶片之間的粘接，或者是芯片級(chip-level)粘接，例如隔離的VCSEL芯片和隔離的光探測器芯片之間的粘接。
采用金屬粘接或共晶粘接的粘接層可以用作VCSEL的下電極(例如n型電極)或者光探測器一側(cè)的電極。
本發(fā)明涉及通過采用上述技術(shù)粘接VCSEL和光電二極管(即，光探測器)而制造的裝置。使用這些粘接技術(shù)而不受具體的VCSEL的結(jié)構(gòu)或光探測器類型的限制。
例如，這些粘接技術(shù)被應用于以下一種結(jié)構(gòu)，其中通過在襯底上依序堆疊DBR的下半導體層、具有有源層的共振區(qū)域(即，有源區(qū))和DBR的上半導體層而制作出的VCSEL通過在襯底的底表面上形成帶有窗口的金屬粘接層被粘接到用于監(jiān)控VCSEL發(fā)射的激光束的強度的光電二極管上。優(yōu)選地，該窗口位于VCSEL的激光束傳輸?shù)妮S線上。
支撐VCSEL的光探測器用作支撐整個結(jié)構(gòu)的輔助支架(submount)。在該VCSEL中，襯底由砷化鎵(GaAs)形成，而有源層由砷化鎵銦(InGaAs)量子阱、氮砷化鎵銦(InGaAsN)量子阱和In(Ga)(N)As量子點中的一種形成。
即使粘接層用作常規(guī)粘接而非共晶粘接層，但是粘接層可以產(chǎn)生上述光學效應，只要它包括這種窗口。
如果該粘接層為共晶粘接層，它可以減小VCSEL和光探測器之間的界面處的電壓降，有助于大規(guī)模生產(chǎn)。
如上所述，本發(fā)明的優(yōu)點在于粘接層不僅用作粘接VCSEL和光探測器的裝置而且用作阻擋不必要光的裝置。而且，如果使用共晶粘接層作為所述粘接層，具有如上所述光學特性的VCSEL可以被大規(guī)模制造。
本發(fā)明的VCSEL-光探測器結(jié)構(gòu)可應用于各種領(lǐng)域，例如使用激光束的光學記錄/再現(xiàn)裝置、光學掃描儀等。
雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的示例性實施例具體展示和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的是，在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以做出各種形式和細節(jié)上的變化。
權(quán)利要求
1.一種垂直腔表面發(fā)射激光器，包括一激光發(fā)射結(jié)構(gòu)，其包括發(fā)射激光束的有源區(qū)及其間插入有該有源區(qū)的上半導體層和下半導體層；一光探測器，其設(shè)置在該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)的底表面上；以及一導電粘接層，其設(shè)置在該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)和該光探測器之間并且包括一來自該有源區(qū)的激光束穿過其中的局部窗口。
2.如權(quán)利要求1所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中該導電粘接層為共晶粘接層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中一空氣隙存在于該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)和該光探測器之間的所述窗口內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中所述窗口位于該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的激光束傳輸?shù)妮S線上。
5.如權(quán)利要求3所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中所述窗口形成于該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的激光束傳輸?shù)妮S線上。
6.如權(quán)利要求1或2所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中該光探測器用作支撐該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)的輔助支架。
7.如權(quán)利要求3所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中該光探測器用作支撐該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)的輔助支架。
8.如權(quán)利要求4所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中該光探測器用作支撐該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)的輔助支架。
9.如權(quán)利要求5所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中該光探測器用作支撐該激光發(fā)射結(jié)構(gòu)的輔助支架。
10.如權(quán)利要求1所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中該下半導體層包括一襯底。
11.如權(quán)利要求10所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中該襯底由砷化鎵(GaAs)制成，而該有源層由從砷化鎵銦(InGaAs)量子阱、InGaAlN量子阱和In(Ga)(N)As量子點組成的組中選取的一種制成。
12.如權(quán)利要求10所述的垂直腔表面發(fā)射激光器，其中該襯底由磷化銦(InP)制成，而該有源層由從InGaAsP量子阱、砷化鋁鎵銦(InGaAlAs)量子阱、In(Ga)(N)As量子點和銻砷化鎵鋁(AlGaAsSb)量子阱組成的組中選取的一種制成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種集成有光探測器的垂直腔表面發(fā)射激光器。該光探測器通過粘接層被附著到VCSEL的底表面，其包括具有預定直徑的窗口。該粘接層為共晶粘接層。一空氣隙存在于該窗口內(nèi)并且主要傳輸激光束。大多數(shù)以一角度入射的自發(fā)發(fā)射的光被除了該窗口的該粘接層的區(qū)域所阻擋，而且由于半導體層和空氣的折射率之間的大的差異，甚至某些朝向該窗口的自發(fā)發(fā)射的光無法容易地穿過該窗口。因此，該共晶粘接層顯著降低了該VCSEL和該光探測器之間的界面處的電壓降，由此有助于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號H01S5/183GK1585216SQ20041004763
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月19日
發(fā)明者金澤 申請人:三星電子株式會社