具有单片集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器装置的制作方法

1.本发明涉及一种具有单片集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器(vcsel)装置。本发明进一步涉及一种包括这种vcsel装置的光学传感器。更进一步地，本发明涉及一种生产这种vcsel的方法。


背景技术：

2.具有单片集成的光电二极管的vcsel、其通常表示为vip，可以用在传感器中用于测量例如距离、位移或速度。所有这些测量都可以基于自混合干涉(smi)的原理。vcsel的另一个应用是测量粒子密度，这使得能够例如测量空气质量。这种类型的装置可能足够简单，甚至可以集成到移动电话中。
3.典型地，vip完全基于algaas材料体系。在wo 2009/136348 a1中公开了这种类型的vcsel装置。光学谐振器的有源区的量子阱以及光电二极管的层堆叠包括algaas和gaas材料。
4.us 5 757 837 a公开了一种具有腔内量子阱光电二极管的vcsel。这种已知的vcsel装置在光学谐振器的有源区中使用量子阱光电二极管层堆叠和量子阱层堆叠，这两者均由ingasas材料制成。在us 5 606 572 a中公开了类似的vcsel。us 2003/0021322 a1公开了一种具有光电检测器的vcsel，该光电检测器具有含ingaas的薄吸收层，其中铟含量为百分之几。
5.基于algaas材料体系的vcsel提供波长约为850nm的激光发射。激光器的有源区使用algaas并且光电二极管使用gaas的vcsel不允许实现更长的发射波长。
6.可能期望提供能够发射波长范围高于850nm的激光的vip，该波长范围对于人眼来说远不可见，使得可以获得基于vip的基本上不可见的传感器。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种具有单片集成的光电二极管的改进的垂直腔面发射激光器装置，该垂直腔面发射激光器装置能够发射波长范围高于850nm的、例如850nm至1200nm的波长的激光。
8.另一个目的是提供一种具有改进的光检测特性的光学传感器，因此能够使用该传感器进行更精确的测量。
9.另一个目的是提供一种生产具有单片集成的光电二极管的vcsel的方法。
10.根据第一方面，提供了一种垂直腔面发射激光器(vcsel)装置，该vcsel装置包括光学谐振器、光电二极管和电接触布置结构。光学谐振器包括第一分布式布拉格反射器(dbr)、第二dbr和用于光发射的有源区。有源区布置在第一dbr与第二dbr之间。光电二极管包括光吸收区。电接触布置结构布置成能够提供驱动电流以对光学谐振器泵电，并且电接触光电二极管。光学谐振器的有源区包括至少一个in
x
ga1‑
x
as层，其中，0≤x＜1，光电二极管的光吸收区包括至少一个inyga1‑yas层，其中，0＜y＜1，其中，y大于x。
11.使用ingaas或gaas(x＝0)作为用于光学谐振器的有源区的材料体系使得vcsel装置能够提供波长范围高于850nm的激光发射。使用ingaas作为用于光电二极管的光吸收区的材料体系使得能够在上述波长范围内进行光检测。通过将砷化铟(inas)与砷化镓(gaas)混合，可以设置所得砷化铟镓(ingaas)的带隙。带隙取决于化合物半导体中的铟含量与镓含量的比率。与化合物半导体材料中的镓含量相比，铟含量越多，带隙就越低，因此，vcsel发射的波长就越长。
12.初看上去，将传统vcsel的gaas光电二极管替换为基于ingaas材料的类似光电二极管似乎很简单。然而，尝试这样做导致光电二极管电流的特性令人惊讶，光电二极管电流表现出对光电二极管电压的强依赖性，特别是在vcsel的输出功率增加的情况下。这种意外特性是不期望的。另一个不期望的效应是基于ingaas的光电二极管的容量增加。已发现在有源区以及光吸收区基于ingaas材料体系的vip中，将光吸收区中的ingaas层提供为具有高于有源区中的铟含量的铟含量是有利的。
13.光吸收区的至少一个inyga1‑yas层中的较高铟含量进一步有利地增加了光检测器的光吸收。
14.光吸收区中的ingaas层的铟含量与有源区中的ingaas层的铟含量之间的差值y
‑
x可以在0.005至0.2的范围内。优选地，差值y
‑
x可以在0.01至0.1的范围内。更优选地，差值y
‑
x可以在0.02至0.06的范围内。
15.光学谐振器的有源区可以包括一个或多个量子阱，该一个或多个量子阱包括一个或多个in
x
ga1‑
x
as层。x可以为零，即，有源区可以包括一个或多个gaas层。在其他实施例中，x可以大于零，即，0<x<1。每个量子阱可以包括in
x
ga1‑
x
as层，其夹在具有比in
x
ga1‑
x
as层更大的带隙的半导体层之间。
16.光电二极管可以与vcsel单片集成。更具体地，光电二极管可以被布置在光学谐振器中以形成腔内单片集成的光电二极管。优选地，光电二极管可以结合到第一dbr或第二dbr中。光吸收区的inyga1‑yas层优先地未掺杂。因此，inyga1‑yas层可以形成有利地减少光电二极管的容量的p
‑i‑
n光电二极管结构的本征层。
17.光电二极管的光吸收区可以包括至少一个另外的未掺杂层，其中，inyga1‑yas层紧邻该另外的层。结合光吸收区的本征inyga1‑yas层，光吸收区的本征区域可以因此增大，这进一步有助于降低光电流对光电二极管电压的强依赖性并减小vcsel的电容。
18.进一步地，与增大inyga1‑yas层的厚度相比，在光吸收区中添加基于与inyga1‑yas层不同的材料的一个或多个本征层是有利的，因为inyga1‑yas层的厚度受到外延生长条件的限制，其由于应变而不允许实现具有高铟含量的厚层。
19.光电二极管的光吸收区中的至少一个未掺杂的另外的层可以是gaas或gaaszp1‑z层，其中，0<z<1。例如，z可以是0.9。gaaszp1‑z是有利的，因为它可以部分地补偿ingaas层中的应变。
20.进一步优先地，光电检测器的光吸收区可以包括至少两个未掺杂(例如，未掺杂的gaas或未掺杂的gaaszp1‑z)层，其中，inyga1‑yas层被这些另外的层夹在中间。
21.光吸收区可以包括单个inyga1‑yas层。
22.进一步优先地，光吸收区可以包括由至少一个未掺杂的另外的层分离的至少两个inyga1‑yas层。以这种方式，可以有利地进一步增加光检测器的吸收。另外的层可以是未掺
杂的gaas或未掺杂的gaaszp1‑z层。
23.光吸收区的至少一个inyga1‑yas层可以具有15nm
‑
80nm范围内的厚度。满足外延生长条件的inyga1‑yas层的最大厚度取决于inyga1‑yas层的铟含量。inyga1‑yas层的铟含量越高，适合层堆叠的外延生长的最大厚度就越小。例如，对于y约为0.15(15％的铟含量)，inyga1‑yas层的厚度的实际限制将为20nm
‑
30nm。
24.光吸收区的本征区域的总厚度可以是至少70nm、优选地至少100nm、进一步优选地至少200nm。如上文所指示，光吸收区的较厚本征区域可以进一步有助于降低光电流对光电二极管电压的强依赖性并减小vcsel的电容。
25.dbr之一可以具有第一部件和第二部件，其中，包括inyga1‑yas层的光吸收区可以被布置在该dbr的第一部件与第二部件之间。第一部件和第二部件中的一个部件、该部件被布置成比dbr的另一部件更靠近有源区，优先地包括具有不同折射率的至少两个dbr层对、或者可以包括四个或甚至更多的dbr层对。
26.电接触布置结构可以包括接触层，该接触层被布置在有源区与光吸收区之间。接触层可以是n型接触层。接触层是有利的，因为它解决或至少减少了在将外延层堆叠向下刻蚀到衬底以形成电接触体时引起的表面不均匀性问题、并且还解决了当仅向下刻蚀到功能层并在功能层上形成电接触体时引起的接触电阻问题。如果要形成的接触体是n型接触体，则接触层可以是n型掺杂的、含铝量低的但仍然透明的层。接触层可以厚到足以克服刻蚀工艺的不均匀性问题。接触层可以被布置在第一dbr或第二dbr中。在这种情况下，接触层的光学厚度应当是λ/2的整数倍，使得dbr由接触层有效地划分为两个部件，这两个部件的反射率以相长方式相加。每个dbr部件的相位因此是同相的。
27.根据第二方面，提供了一种光学传感器，所述光学传感器包括第一方面的垂直腔面发射激光器装置。
28.光学传感器可以包括在移动通信装置中。
29.光学传感器可以用于距离检测、速度检测、粒子密度检测、手势控制、并且尤其用于基于自混合干涉测量的所有传感器应用。
30.根据第三方面，提供了一种生产垂直腔面发射激光器装置的方法，该方法包括：
31.提供第一分布式布拉格反射器和第二分布式布拉格反射器，
32.提供用于光发射的有源区，该有源区包括至少一个inxga1
‑
xas层，其中，0≤x<1，并将该有源区布置在该第一分布式布拉格反射器与该第二分布式布拉格反射器之间以形成光学谐振器，
33.提供光电二极管，该光电二极管包括光吸收区，该光吸收区具有至少一个inyga1
‑
yas层，其中，0<y<1，其中，y大于x，
34.电接触该光学谐振器，以及
35.电接触该光电二极管。
36.这些步骤不需要按照上面给出的顺序执行。第一dbr和第二dbr、有源区和光电检测器的不同层可以通过如mocvd、mbe等的外延方法沉积。
37.vcsel装置可以包括衬底，具有集成的光电二极管的vcsel的层堆叠生长在该衬底上。在生产vcsel装置之后可以移除衬底。
38.vcsel装置可以是顶面发射器或底面发射器。
39.应当理解，根据上述任何实施例的vcsel装置和生产该vcsel装置的方法具有特别是与独立权利要求中所定义的那些类似和/或相同的实施例。另外的有利实施例在下文定义。
40.应当理解，本发明的优选实施例还可以是从属权利要求与相应的独立权利要求的任意组合。
附图说明
41.本发明的这些和其他方面将通过参考下文描述的实施例而变得明显并被阐明。在以下附图中：
42.图1示出了针对vcsel的几个输出功率作为光电二极管电压的函数的光电二极管电流曲线的示图；
43.图2是vcsel装置的第一实施例的示意图；
44.图3是图2中的vcsel装置的光电二极管的层堆叠的一部分的示意图，
45.图4是vcsel装置的第二实施例的示意图；
46.图5是光学传感器的示意图；
47.图6示出了包括光学传感器的移动通信装置的原理示意图；以及
48.图7示出了生产vcsel装置的方法的工艺流程的原理示意图。
具体实施方式
49.在以下描述中，将描述基于ingaas材料体系的具有单片集成的光电二极管的垂直腔面发射激光器装置(vip)的实施例。传统上，vip完全基于algaas材料体系以提供约850nm波长的激光发射，具有基于gaas或algaas的量子阱和基于gaas的光电二极管。使用algaas材料体系，不可能有比850nm更长的发射波长。考虑到与algaas的带隙相比，ingaas的带隙较低，因此使用ingaas材料可以解决这个问题。将gaas光电二极管替换为基于ingaas材料的类似光电二极管似乎很简单。然而，已观察到光电二极管电流(pd电流)的特性令人惊讶。pd电流可能表现出对光电二极管电压u_pd的强依赖性。图1示出了对于基于ingaas的光电二极管和850nm的发射波长、针对vcsel的0mw至1mw的几个输出功率p
输
出的作为光电二极管电压u_pd的函数的pd电流的这种令人惊讶的特性。vcsel的输出功率越高，光电二极管电流的电压依赖性就越显著。
50.本发明提出了一种具有单片集成的光电二极管的vcsel，其中，vcsel的有源区和光电二极管两者均是基于ingaas材料体系来用于优选地在850nm至1200nm的波长范围内的光发射和检测。
51.图2示出了根据本发明的原理的vcsel装置10的第一实施例。vcsel装置10包括第一分布式布拉格反射器(dbr)12、用于激光发射的有源区14和第二分布式布拉格反射器(dbr)16。有源区14被布置在第一dbr 12与第二dbr16之间。第一dbr 12、有源区14和第二dbr 16形成光学谐振器18。vcsel装置10进一步包括具有光吸收区20的光电二极管34。
52.第一dbr 12、有源区14、第二dbr 16和光电二极管的光吸收区20的层堆叠可以在衬底22上外延生长。第一dbr 12和第二dbr 16的层可以包括掺杂的algaas材料。
53.如果vcsel装置10是顶面发射器，则第一dbr 12可以部分透射有源区14中所产生
的激光。激光由vcsel装置10发射，如箭头24所示。例如，第一dbr12可以具有约98％的反射率。第二dbr 16可以具有≥99％的反射率。应当理解，在其他实施例中，vcsel装置10可以被配置为底面发射器，即，在vcsel装置10的衬底侧发射激光，其中，在底面发射器的情况下，第一dbr 12的反射率可以≥99％并且第二dbr 16的反射率可以为约98％。在进一步的实施例中可以移除衬底22。在进一步的实施例中，光吸收区20可以被布置在第二dbr 16的顶部。在更进一步的实施例中，光吸收层20可以被布置在顶面发射器的第一dbr 12中或底面发射器的第二dbr 16中。
54.第一dbr 12和第二dbr 16中的每一个可以具有一个或多个层对，其中，每个层对具有不同的折射率。图2中所示的层数仅是示意性和示例性的而非限制性的。图2中所示的层的厚度不是按比例的并且只是示意性和示例性的。
55.光学谐振器18可以进一步包括在vcsel装置的vcsel中的一个或多个氧化物孔径(未示出)。
56.光电二极管34的光吸收区20嵌入在第二dbr 16中，因此将第二dbr 16划分成第一部件24和第二部件26。
57.衬底22和第二dbr 16的第二部件26可以是n掺杂的。第二dbr 16的第一部件24可以具有n掺杂的第一区28、n掺杂的第二区30和p掺杂的第三区32。n掺杂的第二区30、p掺杂的第三区32、光吸收区20和第二dbr 16的n掺杂的第二部件构成光电二极管34，其中，光吸收区20优选地是本征(未掺杂)区。因此，光电二极管34可以是由光吸收区20和第二dbr 16的区30、32、26的层形成的n
‑
p
‑i‑
n光电二极管。
58.vcsel装置10进一步包括电接触布置结构，该电接触布置结构可以包括在第一dbr 12的顶部的p型接触体36、在衬底22的底部的n型接触体38、和在第二dbr 16的区28的顶部的另外的n型接触体40。p型接触体36可以形成为环形电极。p型接触体36可以被布置在第一dbr 12的顶部的盖层(未示出)上。n型接触体38可以形成为衬底22的底部的金属化物。如果vcsel装置10被设计为底面发射器，则n型接触体38可以形成为环形电极。
59.p型接触体36可以形成vcsel的阳极，而n型接触体40可以形成vcsel的阴极。同时，n型接触体40可以形成光电二极管34的阳极，而n型接触体38可以形成光电二极管34的阴极。
60.有源区14包括至少一个in
x
ga1‑
x
as层，其中，0≤x<1。在一个示例中，x可以是0.1，因此in
x
ga1‑
x
as层的成分可以是in
0.1
ga
0.9
as，因此在该示例中含有10％的铟。in
0.1
ga
0.9
as可以在约300k的温度下提供约950nm的激光发射。通过使用具有更高铟含量的ingaas材料可以获得更长的波长。x可以在0或0.1至0.35的范围内，例如以实现期望波长范围内的激光发射。具有in
0.1
ga
0.9
as的有源区14的光致发光峰处于比vcsel的发射波长更短的波长处并且可以在约925nm处。有源区14可以包括几个只有几nm厚的in
x
ga1‑
x
as量子阱。例如，5nm至10nm范围内的厚度、例如8nm的厚度可能是合适的。x可以为零，即，有源区可以包括一个或多个gaas量子阱。
61.光电二极管34的光吸收区20还包括至少一个inyga1‑yas层。inyga1‑yas层的铟含量高于in
x
ga1‑
x
as层的铟含量，并且在in
0.1
ga
0.9
as有源区14的上述示例中，可以是in
0.145
ga
0.855
as层，因此具有约14.5％的铟含量。
62.通常，有源区14和光吸收区中ingaas层的铟含量的差值y
‑
x可以在0.005至0.2的
范围内、优选地在0.01至0.1的范围内、进一步优选地在0.02至0.06的范围内。
63.光吸收区20中的单个inyga1‑yas层可以具有15nm
‑
80nm范围内的厚度。inyga1‑yas层的最大厚度受到外延生长条件的限制，其由于应变而不允许实现具有高铟含量的厚层。对于铟含量约为14.5％的上述示例，实际限制将是20nm
‑
30nm。
64.虽然光电二极管34的光吸收区20可以仅由单个薄本征ingaas层制成，但是在优选实施例中可以使用更厚的本征区域作为光吸收区20。
65.图3示出了嵌入在第二dbr 16的p掺杂的第三区32与第二dbr 16的n掺杂的第二部件26之间的光吸收区20的这种实施例。第三区32和第二部件26在图3中仅部分地示出。如图3所示，光电二极管34的光吸收区20包括本征区域，该本征区域包括两个本征ingaas层，这两个本征ingaas层例如可以具有14.5％的铟含量。本征区域进一步包括三个另外的未掺杂层，在该示例中这三个另外的未掺杂层可以包括未掺杂的gaas层。因此，优选地，未掺杂的材料被添加到一个或多个ingaas层周围，使得本征材料的总厚度至少为70nm、更优选地为100nm、并且甚至更优选地为200nm，其中，未掺杂的材料例如是gaas或gaaszp1‑z，其中z＝0.9。如此厚的本征区域可能似乎不合常理，但是较厚的本征区域可以有助于降低光电流对光电二极管电压的强依赖性并减小vcsel的电容。进一步地，对光吸收区20使用一个以上的ingaas层有助于增加光电二极管34的吸收。对于本征区域中的层使用gaasp代替gaas具有附加的优势，即，部分地补偿了在ingaas层中形成的应变。
66.如图3中所示，一个或多个ingaas层可以与另外的未掺杂层交替布置，使得ingaas层嵌入或夹在两个另外的未掺杂层之间并且紧邻这些另外的未掺杂层。
67.返回到图2，第二dbr 16的第一部件24的第三部分32优选地包括至少2个dbr层对、更优选地4个或甚至更多个dbr层对。这可以进一步降低光电二极管电流的电压依赖性。
68.第二dbr的第一部件24的第三部分32与第一部分28之间的过渡优选地被设计成使得第三区32的最后p掺杂层具有高铝含量或铝含量从高值逐渐降低到低值的层。
69.图4示出了vcsel装置10的进一步实施例，其中，图4中的vcsel装置10的与图2中的vcsel装置10的相应元件相同、类似或相当的元件用相同的附图标记表示。
70.图4中的vcsel装置10与图2中的vcsel装置10之间的区别在于，第二dbr 16的第一部件24的第一区28与第二区30之间的接触层42。接触层42是n型接触层。接触层42的光学厚度优选地是λ/2的整数倍，使得第二dbr 16被有效地划分成两段(区28以及区30、32和26)，这两段具有以相长方式相加的反射率。dbr段中的每一个的相位是同相的，使得不会形成第二谐振器。
71.接触层42可以具有低铝含量，但是对于vcsel发射的光仍然是透明的。
72.如本文所使用的术语“本征层”、“本征区域”或“本征材料”等应当被理解为层、区域或材料中不存在任何显著掺杂物质水平的层、区域或材料。这同样适用于术语“未掺杂”，该术语意味着没有任何显著的掺杂物质水平。
73.图5示出了根据实施例的光学传感器50的示意图。光学传感器50被布置成借助于自混合干涉测量来确定物体的存在、距离和移动。光学传感器50包括如上所述的vcsel装置10、透射窗52和用于电驱动vcsel装置10的驱动电路54。驱动电路54经由接触体36和40电连接到vcsel装置10，以按照定义的方式向vcsel装置10供电。驱动电路54可以包括用于存储用于操作驱动电路54的数据和指令的存储器装置。光学传感器50进一步包括评估器56。
vcsel装置10所包括的光电二极管34被布置成确定耦接到相应光电二极管的激光器腔内的驻波图案的变化。评估器56可以包括至少一个存储器装置、如存储器芯片以及至少一个处理装置、如微处理器。评估器56被适配成从vcsel装置10并且可选地从驱动电路54接收电信号，以基于被相应物体反射为反射激光60的激光58与vcsel的光学谐振器内的光学驻波的干涉(自混合干涉)来确定一个或多个物体的距离或移动。光学传感器50可以用于粒子检测、距离/速度测量、用户交互等。
74.图6示出了包括光学传感器50的移动通信装置70的示意图。例如，光学传感器50可以与在移动通信装置70上运行的软件应用程序结合使用。该软件应用程序可以将光学传感器50用于感测应用。例如，这样的感测应用可以是自混合干涉测量应用、粒子感测应用或基于手势的用户交互的应用。
75.图7示出了根据本发明的生产vcsel装置的方法的工艺流程的原理示意图。在步骤110中，提供衬底(图1和图2中的衬底22)。在步骤120中，在衬底22上提供如上所述的第二dbr 16的第二部件26。在步骤130中，在第二dbr 16的第二部件26上提供如上所述的光吸收区20。
76.在步骤140中，在光吸收区20上提供如上所述的第二dbr 16的第一部件24的第三区32和第二区30。在可选的步骤150中，在第二dbr 16的第一部件24的第二区30上提供接触层42。在步骤160中，在第二区30或接触层42上提供第二dbr 16的第一部件24的第一区28。在步骤160中，在第二dbr 16的第一部件24的第一区28上提供如上所述的有源区14。在步骤170中，如上所述电接触光学谐振器18，该光学谐振器包括第一dbr 12和第二dbr 16以及有源区14。在步骤180中，如上所述电接触光电二极管34，该光电二极管包括第二dbr 16的第一部件24的第二区30和第三区32、光吸收区20和第二dbr 16的第二部件26。
77.有源区14被提供为用于光发射、包括至少一个in
x
ga1‑
x
as层，其中，0≤x<1。光电二极管34的光吸收区20设置有至少一个inyga1‑yas层，其中，0<y<1，其中，y大于x。
78.电接触可以包括使用适当的刻蚀技术将vcsel装置的层结构向下刻蚀到第二dbr 16的第一部件24的第二区30的相应层或刻蚀到接触层42的一个或多个步骤。该工艺可以进一步包括氧化工艺以便在vcsel装置的vcsel中提供氧化物孔径。生产工艺可以进一步包括钝化或平坦化工艺以提供用于沉积接合焊盘的光滑表面。在沉积vcsel结构的半导体层之后可以移除衬底22。可以在衬底22的减薄背侧减薄或研磨衬底22之后提供光电二极管34的n型接触体38。
79.第一dbr的层、有源区和作为电流注入层的任何其他层等可以通过如mocvd或mbe的外延方法沉积。
80.虽然已经在附图和前述说明中详细展示和描述了本发明，但是这种展示和说明被认为是说明性的或示例性的而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。从对附图、公开内容和所附权利要求的研究中，本领域技术人员在实施要求保护的发明时可以理解和实现对所公开的实施例的其他变化。
81.在权利要求中，词语“包括”不排除其他要素或步骤，并且单数形式并不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求中记载的几个项的功能。在彼此不同的从属权利要求中陈述的某些措施的简单事实并不表明这些措施的组合不能被有利地使用。
82.权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。