專利名稱：用選擇性面外延產(chǎn)生的垂直光學(xué)腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及垂直光學(xué)腔結(jié)構(gòu)，如借助于選擇性面外延(SAE)生長的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)和檢測器(VCDET)，尤其涉及這種結(jié)構(gòu)的陣列。背景當(dāng)采用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積(MOVCD)作為外延技術(shù)在具有二氧化硅或氮化硅圖案窗口的襯底上生長外延層(例如InGaAs)時，可增長襯底上的局部生長率。通常將這稱為選擇性面外延(SAE)。增強的原因是由于在氧化或氮化區(qū)的頂部生長受到抑制的事實。因此，額外材料(例如三乙基鎵和三甲基銦)向未覆蓋的區(qū)域遷移，增強局部生長率。增長因素依賴于氧化物(氮化物)面積與可提供生長面積的比率和金屬有機(jī)物源的擴(kuò)散系數(shù)。
SAE的以前應(yīng)用一直全都是邊緣發(fā)射激光器和集成光電子裝置。例如，在授予Joyner的美國專利5，659，640中，發(fā)明人教導(dǎo)使用SAE制造具有光柵的集成波導(dǎo)。選擇合適的掩膜幾何形狀，以保證淀積過程產(chǎn)生所需光學(xué)結(jié)構(gòu)，即光柵或者量子阱區(qū)域(QW)的疊層。在Joyner等人的美國專利5，418，183中，教導(dǎo)使用SAE產(chǎn)生反射數(shù)字可調(diào)諧激光器。借助于由Shim等人在美國專利5，614，436中教導(dǎo)的SAE生長另一種類型的多量子阱分布反饋半導(dǎo)體激光器。在Joyner等人“通過在SiO2掩蔽襯底上選擇性外延的MQW結(jié)構(gòu)的超大帶隙漂移”，IEEE Phot.Tech.Lett，Vol.4，No.9(Sep.1992)和Caneau等人“Ga和In化合物的選擇性有機(jī)金屬汽相外延TMIn和TEGa與TMIn和TMGa的比較”，J.Crystal Growth，Vol.132(1993)的文章中可看到說明使用SAE在同一平面內(nèi)同時生長光學(xué)裝置的另外的參考文獻(xiàn)。
這些和相似現(xiàn)有裝置通常在它們光敏區(qū)中具有InGaAs QW。這些Q重新生長在兩個氧化條帶之間的具有不同開口的有圖案襯底上。由于SAE，QW的厚度與氧化物條帶開口成反比。此外，由于In的SAE增強因子大于Ga增強因子，QW的In含量也是氧化條帶開口的函數(shù)。因此，陣列中每個激光器的輻射波長可以通過氧化物條帶開口來確定。
現(xiàn)有裝置的光學(xué)元件全都位于進(jìn)行SAE的平面內(nèi)。換句話說，SAE是在光學(xué)元件之間提供平面對準(zhǔn)的表面上進(jìn)行的。因此，產(chǎn)生的裝置限于在邊緣發(fā)射激光器中碰到的平面元件分布。
目的和優(yōu)點本發(fā)明的主要目的是將選擇性面外延(SAE)技術(shù)應(yīng)用于垂直光學(xué)腔。具體地說，本發(fā)明的目的是利用SAE提供一種具有可變發(fā)射和吸收波長的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)和垂直腔檢測器(VCDET)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供在這種垂直腔裝置中對量子阱區(qū)域(QW)的帶隙和反射器之間法布里-珀羅距離的簡單調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的另一個目的是保證制造垂直光學(xué)腔裝置的方法既簡單又經(jīng)濟(jì)有效。
本發(fā)明的再一個目的是保證垂直光學(xué)腔裝置能夠單片生長并作為元件陣列。
閱讀了本說明書，進(jìn)一步的目的和優(yōu)點將是明顯的。
概 要這些目的和優(yōu)點可通過沿垂直方向構(gòu)成的垂直光學(xué)腔的單片裝置而實現(xiàn)。裝置具有底部分布布喇格反射器(DBR)，它由多個底部反射器或交替的λ/4層構(gòu)成。利用選擇性面外延(SAE)掩膜或生長圖案，在底部DBR的頂上生長由至少一個光敏層組成的量子阱(QW)區(qū)域。為了保證QW的合適SAE生長，掩膜由電介質(zhì)、氮化物或氧化物制成。根據(jù)SAE條件，QW區(qū)域可以具有一個或多個應(yīng)變QW。另外，光敏層在水平面，即垂直于垂直方向的平面內(nèi)顯示至少一個物理參數(shù)的偏差。由多個頂部反射器組成的頂部DBR淀積在QW區(qū)域的頂上。在QW區(qū)域附近，例如QW區(qū)域下方和/或上方，還淀積了襯墊。襯墊會在其表面曲率上顯示偏差，或者在水平面上它會具有可變的厚度。襯墊較佳也是通過SAE生長的。
本發(fā)明的裝置具有沿底部DBR與頂部DBR之間垂直方向限定的法布里-珀羅距離。這一法布里-珀羅距離在水平面中也隨位置而變化。例如，由于QW或襯墊的厚度變化，法布里-珀羅距離也變化。
光敏層的可變物理參數(shù)或是其表面曲率或是帶隙。這兩個參數(shù)二者通過SAE調(diào)整。帶隙較佳地是通過按照SAE改變光敏層材料或元件的相對濃度而調(diào)節(jié)的。
在最簡單情況中SAE掩膜包括被間隙分開的兩個條帶，QW和襯墊生長在其中。掩膜也可以根據(jù)需要從諸如圓形條帶、半圓形條帶、楔形條帶和橢圓形條帶的許多形狀中選擇?？梢栽O(shè)定掩膜形狀，以控制光敏層的組分材料的厚度和相對濃度以及由光學(xué)腔支持的輻射的偏振。
光敏層具有第一折射率，而與光敏區(qū)相鄰的第一頂部反射器具有或是大于或是小于第一折射率的第二折射率，這也是較佳的。可以采用折射率的這一差別來形成透鏡、引導(dǎo)或反引導(dǎo)腔體中的電磁輻射。對于更好的性能，光敏層應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)預(yù)定的表面曲率。
在較佳實施例中，QW具有若干個光敏層，每個光敏層的表面曲率是可控制的。例如，底部光敏層的曲率可以呈現(xiàn)最大的弓形，而頂部光敏層的曲率可以具有最小的弓形。
根據(jù)本發(fā)明的垂直腔裝置可以用作垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)或垂直腔檢測器(VCDET)。在第一種情況中，提供電流源，引起光敏層發(fā)射電磁輻射。在第二種情況中，提供合適的電路，讓吸收層在吸收時對入射電磁輻射敏感。
本發(fā)明的方法允許通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)定SAE條件而構(gòu)造垂直光學(xué)腔。在參考附圖的詳細(xì)說明中包含了本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)情況和解釋。
附圖描述

圖1是說明通過選擇性面外延(SAE)生長的一些基本方面的截面圖。
圖2是表明通過SAE生長的光敏層的截面圖。
圖3是表明通過SAE生長的若干個光敏層和一個襯墊的截面圖。
圖4A-4F是說明制造垂直光學(xué)腔的較佳過程的等視圖。
圖5是表明通過較佳過程制成的垂直光學(xué)腔的截面圖。
圖6是用作垂直腔檢測器(VCDET)的垂直光學(xué)腔裝置的截面圖。
圖7是一般SAE掩膜的等視圖。
圖8A-8E是特定SAE掩膜的平面圖。
圖9A-9C是具有偏振控制的光敏層的SAE掩膜的平面圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明借助于SAE制成的垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的量子阱增益位置和法布里-珀羅位置的曲線圖。
詳細(xì)描述本發(fā)明的垂直光學(xué)腔裝置和生長它們所需的步驟依賴于使用選擇性面外延(SAE)的已知技術(shù)。圖1示出通過金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積(MOVCD)、分子束外延(MBE)或金屬有機(jī)物分子束外延(MOMBE)在襯底10(如GaAs襯底)上進(jìn)行外延生長時SAE的最相關(guān)的方面。
在襯底10的頂部淀積具有邊緣14的生長圖案或SAE掩膜12。掩膜12的材料為電介質(zhì)、氮化物、氧化物或者不支持被淀積材料16外延生長的任何其它合適材料。因此，寧可在材料16的掩膜12先質(zhì)上生長，例如三甲基Ga向襯底10表面遷移。因此，材料16在襯底10上的生長被增強，尤其是在邊緣14附近。這可以通過隨自邊緣14起的距離增大而材料16的厚度減小得到證實。
除了遠(yuǎn)離邊緣14的材料16厚度減小外，材料16的各組分18A、18B和18C(在本情況中為In、Ga和As)具有不同擴(kuò)散長度。為了說明起見，在圖1中，組分18A即Ga和組分18B即In由圓圈和方塊表示。Ga的擴(kuò)散長度DL1比In的擴(kuò)散長度DL2小。因此，Ga和In的相對濃度隨自邊緣14起的距離而變化。
材料16的SAE生長還影響長出材料的表面20。具體地說，由于SAE，表面20具有自然弓形或曲面。曲面通常是凹面，這是由上述效應(yīng)，即隨自邊緣14起距離的增加外延生長減小以及組分18A、18B的擴(kuò)散長度變化導(dǎo)致的。
圖2-3示出了將SAE應(yīng)用于生長垂直光學(xué)腔的基礎(chǔ)。在圖2中，通過SAE生長在底部分布布喇格反射器32上的光敏層30由交替反射器或λ/4層34組成。掩膜36具有間隙38，光敏層30被淀積在其中。光敏層30具有凹形表面39。圖3示出去除掩膜36和生長附加層40的結(jié)果，在這種情況中，襯墊42和頂部DBR44由不用SAE的光敏層30頂部上的λ/4層46組成。相繼的每一層的表面曲率逐步變小，頂部DBR的最頂部層46的曲率接近于零。
圖4A-4F的等視圖表明如何采用上述的SAE生長原理來產(chǎn)生較佳的垂直光學(xué)腔裝置100(見圖4F)。裝置100沿垂直方向或z方向生長。首先，正如圖4A所示，通過諸如MOVCD或MBE的標(biāo)準(zhǔn)外延技術(shù)生長由底部反射器或λ/4層52組成的底部DBR50。層52實際上是層對52A、52B，例如GaAs/AlAs對。GaAs/AlAs層對的數(shù)目取決于所需的反射率，將由設(shè)計人員根據(jù)眾所周知的原理確定。例如，如果裝置100被用作垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)，GaAs/AlAs層對的數(shù)目能夠30與40之間，或者更高，以保證足夠高的反射率，使DBR50起高反射器的作用。
在底部DBR 50上還生長襯墊54。在這種情況中，襯墊54由兩個層56、58制成，它們由例如Al0.2Ga0.8As和GaAs組成。本領(lǐng)域普通專業(yè)技術(shù)人員將能夠確定襯墊54的所需厚度和組分。
在下一步驟中，在層58的表面上形成圖案，以產(chǎn)生SAE掩膜60。正如圖4B所示，掩膜60由兩個條帶62、64組成，它們之間有間隙66。條帶62、64是由氮化硅制成，它們的寬度w沿y方向逐步減小。與此同時，間隙66的寬度d保持恒定不變。在形成圖案步驟后，清潔層58和條帶62、64的表面，作重新生長。
對于由兩個條帶制成的任何掩膜，材料x的SAE增強因子Ex是由以下線性關(guān)系表征的Ex∝wd]]>因此，掩膜60的情況中，Ga和In增強因子EGa和EIn二者沿y方向減小。
在下一步驟中，通過SAE在間隙66中生長GaAs層68。結(jié)果示于圖4C。由于以上說明的SAE生長條件，層68具有曲面表面69，由于減小了SAE增強，層68的厚度沿y方向減小。
接著，正如圖4D所示，三個量子阱(QW)或光敏層70是通過SAE生長在條帶62與64之間的間隙66中。通常，根據(jù)需要在QW之間還生長薄的夾層(未示出)。光敏層70與任何最后夾層構(gòu)成量子阱(QW)區(qū)域72。光敏層70由光敏材料或產(chǎn)生激光媒體形成。例如，合適的產(chǎn)生激光的材料是In0.17Ga0.83As。當(dāng)然，QW區(qū)域72也可以由象層70那樣的多個光敏層構(gòu)成，因此產(chǎn)生更大的QW疊層，或者交替地，恰好一個光敏層70。
由于Ga的擴(kuò)散長度小于In的擴(kuò)散長度，光敏層70的表面彎曲，In和Ga的相對濃度沿x方向隨自條帶62、64起的距離而變化。此外，由于SAE增強的減小，光敏層的整個厚度在y方向上是變化的。因此，兩個物理參數(shù)，In和Ga的相對濃度和光敏層70的厚度在水平面，具體地x-y平面內(nèi)是變化的。
這兩個物理參數(shù)影響著光敏層70在x-y平面內(nèi)所有位置上的局部帶隙。換句話說，裝置的增益位置是由QW區(qū)域72，尤其是光敏層70的厚度和組分控制的。這兩個物理參數(shù)都是以上討論的SAE增強的函數(shù)。必須小心謹(jǐn)慎以保證SAE增強因子Ex不是太大，使得光敏層70和層68的厚度和組分不超過臨界厚度。否則，晶體晶格將松散，產(chǎn)生阻止完成后裝置產(chǎn)生作用的缺陷。本領(lǐng)域普通專業(yè)技術(shù)人員熟悉這一問題，將能夠保證不超過臨界厚度。
光敏層70被惰性材料(例如GaAs)層74覆蓋。盡管圖4D中層74與條帶62和64一起生長，因此從SAE生長受益，在層74生長期間在任何點上還可能去除條帶62和64。然后可以用用常規(guī)MOCVD技術(shù)生長層74的其余部分。總厚度t表示借助于SAE獲得的生長層的厚度。
去除掩膜60的條帶62、64后余下的結(jié)構(gòu)示于圖4E。這一去除工作是按照眾所周知的方法，如緩沖氧化蝕刻(BOE)進(jìn)行的。QW區(qū)域72的惰性層68和光敏層70的厚度沿y方向減小清楚可見。存在由SAE生長造成的自然弓形或凹面曲率，盡管該圖中(見圖2)未明顯地表示。曲率轉(zhuǎn)移到沿x軸的厚度偏差。具體地，光敏層70的厚度在條帶62、64之間一半處嚴(yán)格是最小的，當(dāng)向條帶62、64靠近時逐步增大。
由于QW區(qū)域72的光敏層70的厚度的偏差和In和Ga在光敏層70中的相對濃度的變化，光敏層70的帶隙在x-y平面內(nèi)是變化的。沿y方向的偏差主要是由于層70的厚度減小和Ga和In濃度的偏差。沿x軸的偏差主要是由于層70的表面曲率的變化，還由于In和Ga在層68、70和74中的相對濃度變化。
該方法的最后步驟涉及生長頂部襯墊75和頂部DBR76，正如圖4F和圖5所示，前者可以由兩個單獨的層(未示出)，例如GaAs和Al0.2Ga0.8As組成。象底部DBR50一樣，頂部DBR76由頂部反射器或?qū)?8A、78B對構(gòu)成。這些同樣可以定制，并具有與層52A、52B相同的組分。頂部DBR76的反射率是基于裝置100是否是VCSEL或VCDET選擇的。在前者的情況中，層78A、78B的數(shù)目應(yīng)當(dāng)小于層52A、52B的數(shù)目，以保證頂部DBR76的反射率較低，從而能夠起輸出耦合器的作用。
最后一步是對頂部DBR76的最頂層78B的頂部表面80進(jìn)行處理，沿y方向產(chǎn)生輸出窗口或小面81陣列。由于層68，QW70和頂部襯墊75的厚度減小，底部DBR50和頂部DBR76之間的法布里-珀羅距離82，正如圖5的相應(yīng)截面圖中限定的，沿y方向減小。正如眾所周知的，距離82決定法布里-珀羅型激光腔84的長度，這又決定允許什么電磁輻射86波長λ在腔84內(nèi)振蕩。顯然，由法布里-珀羅距離82允許的輻射86的波長λ沿y方向減小。
與此同時，QW70的增益位置也沿y方向變化，如上所示。具體地說，增益位置沿y方向減小，以致于QW70在沿y方向的每一點上在由法布里-珀羅距離82表示的波長λ上產(chǎn)生增益。因此，陣列83的每個窗口81在不同波長λ1、λ2、…λn上產(chǎn)生輻射。在這種情況中，裝置100是多波長VCSEL。底部DBR50是高反射器，而頂部DBR76是輸出耦合器。
圖6示出裝置101，基本上模擬裝置100，是為起多波長VCDET101或者VCDET陣列的作用。制造裝置101的方法也與制造裝置100的方法相似。然而，在這種情況中，頂部DBR76具有與底部DBR50接近相同的反射率。此外，提供底部p-i-n吸收區(qū)88，吸收其λ與由法布里-珀羅距離82決定的諧振λ相匹配的入射輻射87。待檢測的波長λ的輻射87允許通過表面80進(jìn)入VCDET101。不是QW區(qū)域72，無源濾波器層71形成濾波器襯墊，由于SAE在x-y平面內(nèi)顯示厚度、曲率和組分偏差。還提供一標(biāo)準(zhǔn)檢測電路(未示出)，當(dāng)輻射87被吸收時對層88中產(chǎn)生的電脈沖進(jìn)行檢測。
由于法布里-珀羅距離82在x-y平面內(nèi)，尤其是沿y方向變化，能夠由VCDET 101檢測的輻射87的波長λ也沿y方向變化。只要采用與VCSEL100相同的掩膜60制造VCDET101，那么，可檢測輻射87的波長λ將沿y方向減小。因此，能夠采用λ的映射或者法布里-珀羅距離82作為y位置VCDET101的函數(shù)來檢測輻射87的整個帶寬。再有，VCDET101可以具有輸入窗口或小面81，與VCSEL100一樣，或者具有一個連續(xù)小面，作連續(xù)波長檢測。
本領(lǐng)域普通專業(yè)技術(shù)人員從以上描述顯而易見，SAE掩膜60，尤其是間隙66的幾何尺寸是定制帶隙和法布里-珀羅距離82的關(guān)鍵。圖7示出一個一般掩膜90。掩膜90具有兩個條帶92、94，它們之間限定間隙96。條帶92的寬度沿長度L而變化，并由函數(shù)f1(L)表示。同樣地，條帶94的寬度隨長度L而變化，并由函數(shù)f2(L)表示。在本情況中，條帶92、94的寬度偏差是對稱的，但是它們并不一定是對稱的。此外，間隙96的寬度是恒定常數(shù)，但是它可以變化。再有，條帶92、94的寬度w和間隙96的寬度d根據(jù)關(guān)系式由所需SAE增強因子Ex表示Ex∝wd]]>基于這一信息，熟悉SAE的人將知道如何選擇合適的函數(shù)f1(L)和f2(L)來在間隙96中產(chǎn)生合適的生長增強，從而產(chǎn)生在x-y平面內(nèi)沿x和y方向具有所需濃度偏差、表面曲率和整個厚度偏差的的光敏層。
圖8A-8E示出一些特別有用的掩膜形狀。例如，圖8A中所示的掩膜102類似于制造裝置100和101所用的掩膜60。它由兩個條帶104、106構(gòu)成，限定寬度恒定不變的間隙108。條帶104、106變寬，在它們寬的一端比它們窄的一端要增強間隙108中SAE生長。圖8B示出掩膜110，它由三角形條帶112和114構(gòu)成，具有恒定不變的寬度間隙116。掩膜110在三角形112和114寬的一端比在其角一端要增強SAE生長。圖8C示出掩膜120，在兩個階梯三角形條帶122和124之間限定間隙126。掩膜120的SAE生長增強因子在每個臺階上是恒定不變的，并經(jīng)受在每個臺階上向條帶122和124的寬的一端不連續(xù)增大。圖8D的掩膜130具有兩個條帶132和134，它們的寬度不改變，但是彼此傾斜設(shè)定，以致于它們限定一個寬度變化的間隙136。掩膜130類似于以上討論的掩膜60。
掩膜120對于大規(guī)模制造是有用的，因為它對最終裝置的輸出小面的失準(zhǔn)容限更大。這是由于SAE增益階梯變化，法布里-珀羅距離和QW增益位置也如此的事實。另一方面，掩膜120的階梯必須非常精確地限定尺寸。相反，掩膜102、110和130在SAE增強、法布里-珀羅距離和QW增益位置上呈現(xiàn)連續(xù)變化。因此它們在輸出小面的位置上提供連續(xù)調(diào)節(jié)，以致于決定所需波長λ1、λ2、…λn的法布里-珀羅距離與所需輸出小面相對準(zhǔn)。
圖8E示出四個圓掩膜140、142、144和146，它們基本上是圓形條帶，具有中心開口150、152、154和156，對應(yīng)于增強SAE生長的間隙。掩膜140、142、144和146的寬度從薄到厚逐步變化，而中心開口150、152、154和156保持相同。顯然，SAE生長的增強通過開口150中掩膜140最小，通過開口156中掩膜146最大。對于第一近似，圓形掩膜的SAE增強因子Ex由以下關(guān)系式給出Ex∝MAOA]]>這里MA是掩膜的表面面積，OA是開口的面積。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，進(jìn)一步采用由SAE生長造成的自然曲率來控制裝置100中發(fā)出輻射，例如輻射86的偏振。這是通過在SAE生長層68、70中引入非對稱進(jìn)行的，正象在層74中可以利用非對稱掩膜的情況一樣。非對稱掩膜產(chǎn)生應(yīng)變和/或沿SAE長出層的一個結(jié)晶方向的厚度差。合適的非對稱SAE掩膜圖案包括圖8D的四邊形和圖9A-C中所示的掩膜160、170和180。
當(dāng)利用具有InGaAs量子阱的任何上述非對稱掩膜時，由于如上討論的In和Ga的不同生長率增強，將附加引入應(yīng)變非對稱性。因此，在這種情況中SAE生長沿不同方向(例如沿掩膜160的主軸和次軸)將產(chǎn)生差分應(yīng)變。
本發(fā)明的方法還允許產(chǎn)生具有內(nèi)置正和負(fù)透鏡和折射率引導(dǎo)和反引導(dǎo)的裝置。再參考圖3，當(dāng)光敏層30由折射率比層40，尤其是相鄰層42的有效折射率大的材料制造時，那么，電磁輻射將經(jīng)歷由表面39曲率和折射率差造成的發(fā)散透鏡效應(yīng)。另外，當(dāng)光敏層30的折射率小于層40，尤其是層42的折射率時，那么，輻射將經(jīng)歷會聚透鏡效應(yīng)。當(dāng)表面39的曲率明顯且折射率差大時，透鏡效應(yīng)則更大。例如，通過按照SAE制造層30，在層30的中心與其邊緣之間能夠獲得4％的厚度差，而產(chǎn)生有用量子阱。
另外，按照眾所周知的原理，正和負(fù)的透鏡效應(yīng)引起折射率引導(dǎo)和反引導(dǎo)。因此，能夠用本發(fā)明的方法來增強裝置的單模操作，它產(chǎn)生小的折射率引導(dǎo)和任何折射率反引導(dǎo)面積。
例子以下的例子僅僅是說明本發(fā)明的特定實施例，而不希望作為一種限制。利用由兩個在空間上靠近的四邊形條帶(見圖8A)組成的掩膜產(chǎn)生實用的VCSEL陣列，它產(chǎn)生930-980nm范圍λ的輸出輻射。首先，用MOVCD或MBE在合適腔體中生長底部DBR，它由35對GaAs/AlAs分布布喇格反射器和52nm的Al0.2Ga0.8As和24.8nm的GaAs組成。
然后用100 nm氮化硅對基片進(jìn)行圖案處理，產(chǎn)生如圖8B所示的SAE掩膜。掩膜的寬度w在0至100μm之間變化，其厚度為1000埃。利用HCL對基片進(jìn)行清潔以供重新生長，被重新裝載到腔體中。其SAE生長期間，產(chǎn)生一個26.5nm GaAs層，用具有10 nm間隔的三個4.2nmAl0.17Ga0.83As量子阱或中間層覆蓋，以及另一個26.5 nmGaAs厚層。
此時，從腔體中取出基片，用BOE去除氮化硅。然后再次將基片重新裝載到腔體中，重新生長沒有SAE增強的24.8nmGaAs，52nm的Al0.2Ga0.8As和26對GaAs/Al0.7Ga0.3As DBR。用SAE長出的材料的總厚度t較佳地為t+855nm。
在最后一步期間，沿SAE掩膜的中心線制備VCSEL陣列。完成的裝置類似于圖4F中所示的裝置100。
完成的VCSEL陣列的性能以圖10中曲線來表征，它繪出QW增益位置和法布里-珀羅位置與SAE條帶寬度(w)的函數(shù)關(guān)系。曲線包括按照如上所述生長的VCSEL的數(shù)據(jù)點，較佳SAE生長厚度t=85.5nm，其它兩個厚度t+65.3nm和t=112.7nm是作比較用的。采用較佳厚度，法布里-珀羅距離與增益位置相匹配，因此保證了VCSEL陣列的合適功能。
對于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員而言顯然可以用許多方法改變以上實施例而不偏離本發(fā)明的范圍。例如，可以采用本發(fā)明的方法與InGaP、InGaAs、InGaAsP和AlGaAs材料系來產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的裝置。應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)本發(fā)明的生長裝置與AlGaAs量子阱將被自動地預(yù)先應(yīng)變。
鑒于以上情況，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由以下權(quán)利要求書及其法律等效概念確定。
權(quán)利要求
1．一種沿垂直方向延伸的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述單片垂直光學(xué)腔包括a)具有多個底部反射器的底部分布布喇格反射器；b)利用選擇性面外延掩膜生長在所述底部分布布喇格反射器的頂部上的量子阱區(qū)域，所述量子阱區(qū)域包括至少一個光敏層，具有至少一個展現(xiàn)水平面內(nèi)偏差的物理參數(shù)；c)淀積在所述量子阱區(qū)域的頂部上并具有多個頂部反射器的頂部分布布喇格反射器；這里，沿所述底部分布布喇格反射器與所述頂部分布布喇格反射器之間所述垂直方向限定的法布里-珀羅距離在所述水平面上變化。
2．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述至少一個物理參數(shù)選自由所述至少一個光敏層的表面曲率和所述至少一個光敏層的帶隙組成的參數(shù)。
3．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述選擇性面外延掩膜包括兩個條帶。
4．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述選擇性面外延掩膜包括選自由圓形條帶、半圓形條帶、楔形條帶和橢圓形條帶組成的組的形狀。
5．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述選擇性面外延掩膜包括選自由電介質(zhì)、氮化物和氧化物組成的組的材料。
6．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述光敏層具有第一折射率，與所述光敏層相鄰的第一頂部反射器具有大于所述第一折射率的第二折射率。
7．如權(quán)利要求6所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述至少一個物理參數(shù)包括所述光敏層的表面曲率。
8．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述光敏區(qū)具有第一折射率，與所述光敏層相鄰的第一頂部反射器具有小于所述第一折射率的第二折射率。
9．如權(quán)利要求8所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述至少一個物理參數(shù)包括所述光敏層的表面曲率。
10．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述量子阱區(qū)域在所述水平面上具有變化的厚度，以致于所述法布里-珀羅距離在所述水平面上變化。
11．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于進(jìn)一步包括鄰近所述至少一個光敏區(qū)域淀積的襯墊。
12．如權(quán)利要求11所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述襯墊在所述水平面上具有變化的厚度。
13．如權(quán)利要求11所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述襯墊具有變化的曲率。
14．如權(quán)利要求11所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于至少一部分所述襯墊是利用所述選擇性面外延掩膜生長的。
15．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述至少一個物理參數(shù)是所述光敏層的帶隙，所述偏差是包括所述至少一個光敏層的組分的相對濃度的偏差。
16．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述量子阱區(qū)域是應(yīng)變的量子阱區(qū)域。
17．如權(quán)利要求1所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述至少一個光敏層包括n個光敏層。
18．如權(quán)利要求17所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述至少一個物理參數(shù)是所述n個光敏層中每一個的表面曲率。
19．如權(quán)利要求18所述的單片垂直光學(xué)腔，其特征在于所述表面曲率在所述n個光敏層的每一個中是不同的。
20．一種制造沿垂直方向延伸的單片垂直光學(xué)腔的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟a)淀積多個底部反射器，產(chǎn)生底部分布布喇格反射器；b)在所述底部分布布喇格反射器的頂部上產(chǎn)生選擇性面外延掩膜；c)利用所述選擇性面外延掩膜在所述底部分布布喇格反射器的頂部上生長量子阱區(qū)域，所述量子阱包括至少一個光敏層，具有展現(xiàn)水平面中偏差的至少一個物理參數(shù)；d)淀積多個頂部反射器，產(chǎn)生頂部分布布喇格反射器，由此沿所述底部分布布喇格反射器與所述頂部分布布喇格反射器之間的所述垂直方向限定法布里一珀羅距離，所述法布里-珀羅距離在所述水平面內(nèi)變化。
21．如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述至少一個物理參數(shù)是所述至少一個光敏層的表面曲率，所述方法進(jìn)一步包括確定所述表面曲率的步驟。
22．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于確定所述曲率的所述步驟是通過改變所述選擇性面外延掩膜進(jìn)行的。
23．如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述至少一個物理參數(shù)是所述至少一個光敏層的帶隙，所述方法進(jìn)一步包括改變所述帶隙的步驟。
24．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于改變所述帶隙的所述步驟是通過改變包括至少一個光敏層的組分的相對濃度進(jìn)行的。
25．如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括鄰近所述量子阱區(qū)域生長襯墊的步驟。
26．一種具有沿垂直方向延伸的單片垂直光學(xué)腔的垂直腔檢測器，其特征在于所述檢測器包括a)具有多個底部反射器的底部分布布喇格反射器；b)利用選擇性面外延掩膜生長在所述底部分布布喇格反射器的頂部上的量子阱區(qū)域，所述量子阱區(qū)域包括至少一個光敏層，具有至少一個展現(xiàn)水平面內(nèi)偏差的物理參數(shù)；c)淀積在所述量子阱區(qū)域的頂部上并具有多個頂部反射器的頂部分布布喇格反射器；這里，沿所述底部分布布喇格反射器與所述頂部分布布喇格反射器之間所述垂直方向限定的法布里-珀羅距離在所述水平面上變化。
27．如權(quán)利要求26所述的垂直腔檢測器，其特征在于所述量子阱區(qū)域包括至少一個能夠產(chǎn)生激光的光敏層。
全文摘要
一種單片垂直光學(xué)腔裝置(100),具有底部分布布喇格反射器(DBR)、由利用選擇性面外延(SAE)掩膜生長在底部DBR頂部上至少一個光敏層組成的量子阱(QW)區(qū)域,以致于光敏層在垂直于垂直方向的水平面內(nèi)展現(xiàn)至少一個物理參數(shù)的偏差、以及淀積在QW區(qū)域(70)頂部上的頂部DBR。該裝置具有沿底部DBR(50)和頂部DBR(76)之間垂直方向限定的可變法布里一珀羅距離(82)和光敏層的可變物理參數(shù)。
文檔編號H01S5/42GK1295730SQ99804651
公開日2001年5月16日 申請日期1999年2月24日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月30日
發(fā)明者G·S·李, 袁務(wù)本, C·J·倉－哈斯蓮恩 申請人:班威斯9公司