[发明专利]用选择性面外延产生的垂直光学腔

说明书

                    相关申请的交叉参考

本申请要求1998年3月30日提交的美国申请09/050657作为优先权，该申请在此引作参考。

                        发明领域

本发明一般涉及垂直光学腔结构，如借助于选择性面外延(SAE)生长的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和检测器(VCDET)，尤其涉及这种结构的阵列。背景

当采用金属有机物化学汽相淀积(MOVCD)作为外延技术在具有二氧化硅或氮化硅图案窗口的衬底上生长外延层(例如InGaAs)时，可增长衬底上的局部生长率。通常将这称为选择性面外延(SAE)。增强的原因是由于在氧化或氮化区的顶部生长受到抑制的事实。因此，额外材料(例如三乙基镓和三甲基铟)向未覆盖的区域迁移，增强局部生长率。增长因素依赖于氧化物(氮化物)面积与可提供生长面积的比率和金属有机物源的扩散系数。

SAE的以前应用一直全都是边缘发射激光器和集成光电子装置。例如，在授予Joyner的美国专利5，659，640中，发明人教导使用SAE制造具有光栅的集成波导。选择合适的掩膜几何形状，以保证淀积过程产生所需光学结构，即光栅或者量子阱区域(QW)的叠层。在Joyner等人的美国专利5，418，183中，教导使用SAE产生反射数字可调谐激光器。借助于由Shim等人在美国专利5，614，436中教导的SAE生长另一种类型的多量子阱分布反馈半导体激光器。在Joyner等人“通过在SiO₂掩蔽衬底上选择性外延的MQW结构的超大带隙漂移”，IEEE Phot.Tech.Lett，Vol.4，No.9(Sep.1992)和Caneau等人“Ga和In化合物的选择性有机金属汽相外延：TMIn和TEGa与TMIn和TMGa的比较”，J.Crystal Growth，Vol.132(1993)的文章中可看到说明使用SAE在同一平面内同时生长光学装置的另外的参考文献。

这些和相似现有装置通常在它们光敏区中具有InGaAs QW。这些Q重新生长在两个氧化条带之间的具有不同开口的有图案衬底上。由于SAE，QW的厚度与氧化物条带开口成反比。此外，由于In的SAE增强因子大于Ga增强因子，QW的In含量也是氧化条带开口的函数。因此，阵列中每个激光器的辐射波长可以通过氧化物条带开口来确定。

现有装置的光学元件全都位于进行SAE的平面内。换句话说，SAE是在光学元件之间提供平面对准的表面上进行的。因此，产生的装置限于在边缘发射激光器中碰到的平面元件分布。

                            目的和优点

本发明的主要目的是将选择性面外延(SAE)技术应用于垂直光学腔。具体地说，本发明的目的是利用SAE提供一种具有可变发射和吸收波长的垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和垂直腔检测器(VCDET)。

本发明的进一步目的是提供在这种垂直腔装置中对量子阱区域(QW)的带隙和反射器之间法布里-珀罗距离的简单调节。

本发明的另一个目的是保证制造垂直光学腔装置的方法既简单又经济有效。

本发明的再一个目的是保证垂直光学腔装置能够单片生长并作为元件阵列。

阅读了本说明书，进一步的目的和优点将是明显的。

                            概  要

这些目的和优点可通过沿垂直方向构成的垂直光学腔的单片装置而实现。装置具有底部分布布喇格反射器(DBR)，它由多个底部反射器或交替的λ/4层构成。利用选择性面外延(SAE)掩膜或生长图案，在底部DBR的顶上生长由至少一个光敏层组成的量子阱(QW)区域。为了保证QW的合适SAE生长，掩膜由电介质、氮化物或氧化物制成。根据SAE条件，QW区域可以具有一个或多个应变QW。另外，光敏层在水平面，即垂直于垂直方向的平面内显示至少一个物理参数的偏差。由多个顶部反射器组成的顶部DBR淀积在QW区域的顶上。在QW区域附近，例如QW区域下方和/或上方，还淀积了衬垫。衬垫会在其表面曲率上显示偏差，或者在水平面上它会具有可变的厚度。衬垫较佳也是通过SAE生长的。

本发明的装置具有沿底部DBR与顶部DBR之间垂直方向限定的法布里-珀罗距离。这一法布里-珀罗距离在水平面中也随位置而变化。例如，由于QW或衬垫的厚度变化，法布里-珀罗距离也变化。

光敏层的可变物理参数或是其表面曲率或是带隙。这两个参数二者通过SAE调整。带隙较佳地是通过按照SAE改变光敏层材料或元件的相对浓度而调节的。