[发明专利]制作用于光学鼠标的单模VCSEL的方法

说明书

技术领域

本发明涉及垂直空腔面射型激光器(VCSEL)，且更具体而言涉及通过对上部台面结构进行选择性图案化而形成模控制的VCSEL。

背景技术

一典型的VCSEL配置包括一有源区域，所述有源区域位于两个在衬底晶圆表面上彼此上下叠置的两个镜面之间。一位于这些镜面之间的绝缘区域迫使电流流经一小孔径，且该装置发射垂直于晶圆表面的激光(即，VCSEL的“垂直”部分)。一种类型的VCSEL-其中通过一质子植入来形成绝缘区域的质子VCSEL-曾主导了VCSEL的早期商业历史。在氧化物导向型VCSEL中，绝缘区域是通过部分氧化镜面结构内的一薄的高铝含量层而形成的。此相同氧化过程可应用于其它半导体结构，以产生光电子及纯电子装置。

垂直空腔面射型激光器(VCSEL)已经成为供在存储区域网络(SAN)及局部区域网络(LAN)应用中所用收发机选用的激光技术。存在两种主要技术平台供制作VCSEL用。这些平台中的差异是基于不同的电流限制技术，或通过离子植入或通过氧化物层来限制。在一VCSEL内形成一电流限制结构的两种方法是离子植入与选择性氧化。在离子植入技术中，离子被植入于上部反射层的一部分内以形成一高电阻区域，由此来限制电流流向一规定的区域。在选择性氧化技术中，对一台面结构的周边区域进行氧化，由此来界定一由高电阻区域环绕的孔径。

更具体而言，在选择性氧化方法中，在一上部反射镜的一下部部分上沉积一拟成为一高电阻区域的AlGaAs层后，对所得到的结构进行蚀刻，从而在晶圆上形成单独的VCSEL。接下来，将该晶圆留置在一氧化氛围内达一预定时间段，以允许蒸汽扩散至该AlAs层的周边部分内。作为一结果，在该周边部分处形成一氧化物绝缘层，作为一高电阻区域，其可限制电流的流动，由此形成一由该高电阻区域环绕的孔径。

形成一VCSEL孔径时的氧化扩散率对用于氧化扩散的加热炉温度、氧化时间及提供至加热炉内的氧气量极为敏感。在需要高可重复性的批量生产中及在形成该孔径的一特定尺寸中，扩散率的变化是一严重问题。

已证明植入型VCSEL极为可靠。然而，对于需要低于2Gb/sec操作速度的应用而言，植入型VCSEL的操作速度通常受到限制。氧化物VCSEL可提供VCSEL性能的诸多优越性质，包括较高的速度(已证明大于23Gb/sec)及较高的效率。然而，氧化物VCSEL在SAN及LAN应用领域内的时间并不像植入型VCSEL那样长。

当前的市售10Gb/s VCSEL的电磁波传播设计在纵向或生长方向(z轴)上为单模设计而在横越或垂直于生长方向的方向(r平面)上为多模设计。沿z轴将有源半导体层厚度设计成仅有单种光学模耦合至激光器增益峰值。在r平面中，所允许的横模取决于氧化物孔径的大小。另一种决定模的特性是，从台面中心沿径向向外看，氧化物孔径使所述层的平均折射率存在一约5％的缓慢降低量。此种折射率变化会造成横模的折射率导向。

在选择性氧化型VCSEL中，如果为增大输出功率而扩大发光区域的直径(接近等于一非选择性氧化区域的直径)，则VCSEL会产生不同阶的振荡，即产生所谓的多模振荡。在多模振荡中，频谱线变宽且光纤具有模色散特性，因此光纤中的信号衰减增大，或者模状态变得不稳定且因此主振荡模阶很容易因所注入电流大小的变化及环境温度的变化而改变。模阶的动态变化是不可取的，因为其会改变与光纤的耦合效率。

为避免出现因多种横模而引起的模不稳定问题，在现有技术中已提出了诸多种方法。第6,990,128号美国专利即说明这些用于控制横模振荡的方法中的诸多种，且我们在此将重述这些说明。第一种用于确保仅在最低阶(0阶)基模中出现振荡的方法是使发光区域的直径变小。然而，当VCSEL的发光区域的直径减小至通常4μm或以下(其小于上文所述的高质子注入型VCSEL的发光区域的直径)时，这些VCSEL会具有高的元件电阻且因此无法产生高的输出功率。使横模稳定是在VCSEL在光学上耦合至光纤时为防止信号出现衰减而提出的一重要要求。此外，需要改良电光特性。