[发明专利]具有有源载流子限制的垂直腔表面发射激光器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。更特别地，本发明涉及具有用于电流限制（confinement）的装置的VCSEL。

背景技术

对于所有的半导体激光器而言，非常有利的是尽可能地将载流子注入限制到对激光发射活动产生贡献的有源区域。在不与模式分布型（profile）重叠的空间位置处注入的载流子被损失掉。因此，载流子限制越好，则总体效率越高。

用于将电流限制为靠近VCSEL的中心的一种已知的措施是在腔体中心具有较高电导率并且在其边缘处具有较低电导率的孔径层。孔径层可以通过高含铝层的横向氧化或者通过局部质子灌注（implantation）而实现。然而，针对这两种方法（氧化和灌注）的载流子注入不一定适于光学模式的横向强度分布型。

发明内容

因此，本发明的一个目的是改善载流子的限制。这个目的是通过权利要求1的主题来解决的。从属权利要求中限定了本发明的有利改进。

作为本发明的一般概念，提出了将光电晶体管层结构集成到VCSEL的叠层中。如果激光器发射光，那么光电晶体管变得局部导通，从而将载流子注入横向限制到其中激光透射通过光电晶体管的感光层的区域。因此，光电晶体管提供了分布式有源电流限制。

更特别地，依照本发明，一种垂直腔表面发射激光二极管（VCSEL）包括

- 衬底，

- 衬底上的第一半导体层叠层，该第一叠层形成第一分布式布拉格反射器，

- 有源区，其包括设置在第一叠层上的一个或多个量子阱层，

- 设置在有源区上的第二半导体层叠层，其形成第二分布式布拉格反射器，以及

- 第一和第二终端接触，其用于将电流注入有源区中。

垂直腔表面发射激光二极管进一步包括形成分布式光电晶体管的层，所述分布式光电晶体管对垂直腔表面发射激光二极管产生的激光敏感。这些层包括至少一个基极层、至少一个发射极层和至少一个集电极层。所述至少一个基极层设置在所述至少一个发射极层与所述至少一个集电极层之间，使得在垂直于衬底的方向上流动的电流流经发射极层、集电极层和基极层，并且其中基极层设置在最靠近衬底的第一叠层的最低层与第二叠层的最顶层之间。

发射极层和集电极层可以有利地至少部分地集成到VCSEL的叠层中。因此，依照本发明的一个改进，形成第一分布式布拉格反射器的第一叠层或者形成第二分布式布拉格反射器的第二叠层的层中的至少一个形成分布式光电晶体管的发射极层或集电极层。

进一步有利的是，如果形成分布式光电晶体管的层（尤其是基极层）在光电晶体管的饱和状态下具有比垂直于所述层的方向上的电导率更低的横向电导率。这避免了光电晶体管中产生的光电流的大的横向散布。如果电流横向散布，那么基极层的点状（punctual）照射导致更大面积的结变得导通，从而电流限制恶化。

理想地，一旦器件已经在发射激光，则仅仅将载流子注入到有源区域中。为了促进载流子的初始注入，有利的是除了第一和第二终端接触之外提供另外的接触。该接触此后称为“启动器电极”或者“启动器终端接触”。启动器终端接触接触有源区与所述至少一个基极层之间的层，使得光电晶体管的一个结通过将启动器终端接触连接到电源而至少部分地被桥接以便将载流子注入有源区中。当结被桥接时，即使电流由于光子的缺乏而被光电晶体管阻挡，也可以经由启动器终端接触将载流子注入有源区中。

一旦VCSEL正在发射激光，则可以将启动器终端接触从电源断开。可替换地，可以将启动器终端接触电连接到第一和第二终端接触之一。如果该终端接触横向偏移激光二极管的中心光轴，并且横向电导率与垂直方向的电导率相比更低，那么当利用激光照射基极-集电极结时，主要的电流在垂直方向上流动。

另一种附加或可替换的可能性是通过启动器终端接触直接接触基极层。在这种情况下，可以通过将适当的电流施加到基极层而接通光电晶体管。

分布式光电晶体管的层有利地可以是分布式布拉格反射器之一的层。因此，依照本发明的一个优选的改进，第一或第二叠层的至少一个层形成形成分布式光电晶体管的层的发射极层或集电极层。

可以采用PNP型或NPN型光电晶体管二者。在PNP晶体管的情况下，形成分布式布拉格反射器的第一和第二叠层之一包括p掺杂层，并且形成分布式光电晶体管的层嵌入包括p掺杂层的叠层中或者邻近该叠层。同样地，如果光电晶体管为NPN型，那么形成分布式布拉格反射器的第一和第二叠层之一包括n掺杂层，并且形成分布式光电晶体管的层嵌入包括n掺杂层的叠层中或者邻近该叠层。