垂直腔面发射激光器、模块、光传输装置及系统、自由空间光通信装置及系统

摘要

本发明提供垂直腔面发射激光器、模块、光传输装置、光传输系统、自由空间光通信装置和自由空间光通信系统。该VCSEL包括：形成在基板上并具有第一掺杂浓度的第一导电型的第一半导体多层膜反射镜；形成在第一反射镜上的活性区；第二导电型的第二半导体多层膜反射镜，其形成在活性区上并邻近活性区，具有第二掺杂浓度；第二导电型的第三半导体多层膜反射镜，其形成在第二反射镜上并具有比第二掺杂浓度高的第三掺杂浓度；及第二导电型的第四半导体多层膜反射镜，其形成在第三反射镜上并具有比第二掺杂浓度高的第四掺杂浓度。所述反射镜包括成对的低Al半导体层和高Al半导体层。第二反射镜中的低Al半导体层的Al组成比第四反射镜中的高。

说明书

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器(以下称为VCSEL)、模块、光传输装置、光传输系统、自由空间光通信装置和自由空间光通信系统。

背景技术

近年来，在诸如光通信或光存储之类的技术领域中，对VCSEL的兴趣正日益增长。VCSEL具有边缘发射半导体激光器所不具有的优异特性。例如，VCSEL具有低阈值电流并消耗较少的功率。通过VCSEL，可以容易地获得圆光点，并可以在VCSEL位于晶片上的同时进行评价，并且光源可以排列成二维阵列。通过这些特性，尤其在通信领域对VCSEL作为光源的需求得以增长。

JP-A-2001-94208中所公开的面发射激光器具有如下结构：第一导电型的第一DBR、第一导电型的第二DBR、活性层、第二导电型的第三DBR和第二导电型的第四DBR顺序叠置。在相同导电型的DBR之间进行对比，靠近活性层的DBR具有比远离活性层的DBR的掺杂浓度低的掺杂浓度。而且，在相同导电型的DBR之间进行对比，靠近活性层的DBR中的高折射率层的带隙大于较远DBR的高折射率层的带隙。该结构还包括通过蚀刻穿第四DBR到第三DBR的一部分而形成的低台面结构。该结构设计成提供低阈值、高效率、高可靠性和低成本。

在JP-A-2002-164621中所公开的面发射激光器中，对于下反射镜提出了不同的构造。下反射镜构造有：下多层膜，该下多层膜由25.5对设置成低折射率膜的p-AlAs膜和设置成高折射率膜的p-Al_0.2Ga_0.8As膜制成；以及形成在下多层膜上的上多层膜，该上多层膜由10对p-Al_0.2Ga_0.8As膜和p-Al_0.9Ga_0.1As膜制成。上多层膜的最上层形成有p-AlAs膜而不是形成有p-Al_0.9Ga_0.1As膜，在p-AlAs膜中，形成有Al氧化层作为电流限制区。

发明内容

本发明要解决的问题

在现有技术的VCSEL中，为了改善在高温下光输出的降低，已提出使得具有高折射率(低Al组成)并形成在活性层附近的AlGaAs层的带隙较大，并降低在活性层附近的掺杂浓度。但是，在现有技术的该方法中，因为在活性层附近的掺杂浓度较低，所以在低温下载流子不能充分地扩散到电流限制区的中心部分。另外，如果增加在除了活性层之外的整个区域中的掺杂浓度而使得在低温下载流子充分地扩散，则在该区域中的自由载流子吸收变大，从而会降低光输出。

本发明旨在提供一种VCSEL，其中克服了如上所述的现有技术的缺点，并在宽温度范围内改善了光输出的降低。

本发明的一个方面提供了一种VCSEL，该VCSEL包括：基板；第一导电型的第一半导体多层膜反射镜，该第一半导体多层膜反射镜形成在所述基板上并具有第一掺杂浓度；形成在所述第一半导体多层膜反射镜上的活性区；第二导电型的第二半导体多层膜反射镜，该第二半导体多层膜反射镜形成在所述活性区上并邻近所述活性区，并且具有第二掺杂浓度；第二导电型的第三半导体多层膜反射镜，该第三半导体多层膜反射镜形成在所述第二半导体多层膜反射镜上并具有第三掺杂浓度；以及第二导电型的第四半导体多层膜反射镜，该第四半导体多层膜反射镜形成在所述第三半导体多层膜反射镜上并具有第四掺杂浓度。所述第一、第二、第三和第四半导体多层膜反射镜包括成对的具有相对较低Al组成的低Al半导体层和具有相对较高Al组成的高Al半导体层。所述第二半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的Al组成高于所述第四半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的Al组成。所述第二掺杂浓度低于所述第四掺杂浓度。所述第三掺杂浓度高于所述第二掺杂浓度。

优选的是，所述第三半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的Al组成高于所述第四半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的Al组成，并且所述第三掺杂浓度高于所述第四掺杂浓度。

优选的是，所述第三半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的Al组成等于所述第二半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的Al组成。

优选的是，所述VCSEL还包括第一导电型的第五半导体多层膜反射镜，该第五半导体多层膜反射镜形成在所述第一半导体多层膜反射镜与所述活性区之间并邻近所述活性区，并且具有第五掺杂浓度，所述第五掺杂浓度低于所述第一掺杂浓度。优选的是，所述第五半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的Al组成高于所述第一半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的Al组成。

优选的是，所述第一半导体多层膜反射镜包括成对的Al_x1Ga_1-x1As半导体层和Al_y1Ga_1-y1As半导体层(X1＞Y1)，所述第二半导体多层膜反射镜包括成对的Al_x2Ga_1-x2As半导体层和Al_y2Ga_1-y2As半导体层(X2＞Y2)，所述第三半导体多层膜反射镜包括成对的Al_x3Ga_1-x3As半导体层和Al_y3Ga_1-y3As半导体层(X3＞Y3)，并且所述第四半导体多层膜反射镜包括成对的Al_x4Ga_1-x4As半导体层和Al_y4Ga_1-y4As半导体层(X4＞Y4)。

优选的是，所述第二半导体多层膜反射镜所包括的所述成对的Al_x2Ga_1-x2As半导体层和Al_y2Ga_1-y2As半导体层的对数介于3和5之间，所述第三半导体多层膜反射镜所包括的所述成对的Al_x3Ga_1-x3As半导体层和Al_y3Ga_1-y3As半导体层的对数介于1和3之间。优选的是，所述第五半导体多层膜反射镜包括成对的Al_x5Ga_1-x5As半导体层和Al_y5Ga_1-y5As半导体层(X5＞Y5)。

优选的是，所述第二半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的带隙能与所述活性区的带隙能之差大于等于0.12eV并小于等于0.3eV。优选的是，所述第五半导体多层膜反射镜中的低Al半导体层的带隙能与所述活性区的带隙能之差大于等于0.12eV并小于等于0.3eV。所述活性区的带隙能是由其组成确定的增益峰波长，将谐振器波长设定为与在室温(25度)下向活性区中注入电流时的增益峰波长匹配。由此，优选使低Al半导体层的带隙能相对于谐振器波长之差大于等于0.12eV并小于等于0.3eV。

优选的是，所述VCSEL还包括形成在所述活性区与所述第二半导体多层膜反射镜之间的、第二导电型的电流限制层。优选的是，所述VCSEL还包括从所述第四半导体多层膜反射镜开始至少到所述活性区的台面，所述电流限制层包括氧化区，该氧化区一部分被从所述台面的侧面氧化。优选的是，所述VCSEL还包括：形成在所述台面上的所述第四半导体多层膜反射镜上的、第二导电型的接触层；以及形成在所述接触层上的电极层，在所述电极层的中心部上形成有用于发射激光的开口。

本发明的效果

根据本发明，将具有高掺杂浓度的第三半导体多层膜反射镜插在上DBR之间，使得载流子在第三半导体多层膜反射镜中沿横向扩散，从而即使在低温下也可以将载流子提供给电流限制层的中心部。另外，第三半导体多层膜反射镜中的具有高掺杂浓度的成对层的层数仅为几个，因而对于光吸收几乎没有影响。

高温下光输出的降低主要是因为具有高折射率(低Al组成)并形成在活性层(其具有高光强度)附近的AlGaAs层中的吸收而引起的。为了解决该问题，有效的是使得具有高折射率并形成在活性层附近的AlGaAs层的带隙较大，并使得活性层附近的掺杂浓度较低。但是，在该方法中，因为活性层附近的掺杂浓度降低，所以在低温下载流子不能充分扩散到电流限制层的一部分。相反，如果为了使载流子在低温下充分扩散而增加在除了活性层附近之外的其它区域中的半导体多层膜反射镜的掺杂浓度，那么在这些反射镜中的自由载流子吸收变大，在高温下光输出会减少。

为了解决这些问题，通过将具有高掺杂浓度的第三半导体多层膜反射镜插在具有低掺杂浓度的第二半导体多层膜反射镜的上方，使得在第三半导体多层膜反射镜中载流子可横向扩散，从而可以形成半导体多层膜反射镜。该构造使得即使在低温下也可以将载流子提供给电流限制层的中心部。另外，因为在第三半导体多层膜反射镜中具有高掺杂浓度的对数仅为几个，所以减少了在高温下的光吸收。如上所述，可以提供这样一种VCSEL，其中在从低温到高温的较宽范围内减少了光输出的下降。

附图说明

下面将基于附图对本发明的示例性实施方式进行详细描述，其中：

图1是根据本发明实施例的VCSEL的示意性平面图；

图2是沿图1的线A-A剖的剖视图；

图3示出了根据本发明第一实施例的下DBR、活性区和上DBR的构造；

图4是曲线图，示出了在高温恒定驱动电流下的激光的光输出与室温下的光输出的比率，并示出Al组成和谐振器波长之间的带隙差与光输出比率的关系；

图5示出了根据本发明第二实施例的下DBR、活性区和上DBR的构造；

图6A至图6C是示出了根据本发明第二实施例的VCSEL的制造方法的剖视图；

图7A至图7C是示出了根据本发明第二实施例的VCSEL的制造方法的剖视图；

图8A和图8B是示出了根据本发明第二实施例的VCSEL的制造方法的剖视图；

图9A和图9B是示出了其中安装有光学元件和根据实施例的VCSEL的模块的构造的示意性剖视图；

图10示出了其中使用VCSEL的光源装置的构造的实施例；

图11示出了其中为光传输装置使用图9A或图9B所示的模块的构造的示意性剖视图；

图12示出了其中为自由空间光通信系统使用图9A或图9B所示的模块的构造；

图13A是示出了光传输系统的构造的框图；

图13B示出了光传输装置的外部构造；以及

图14示出了其中使用图13B的光传输装置的视频传输系统。

具体实施方式

下面将参照附图对用于实施本发明的示例性实施方式进行描述。在本说明书中，使用AlGaAs或GaAs基板作为III-V族化合物半导体层的实施例。例示的VCSEL具有这样的构造，其中：在基板的背面上形成有n侧电极，并从基板的上方发射激光。

图1是根据本发明实施例的VCSEL的平面图。图2是沿图1的线A-A剖的剖视图。如图1和图2所示，VCSEL 100可以包括位于n型GaAs基板102的背面上的n侧电极150。可以在基板102上叠置半导体层，其包括n型GaAs缓冲层104、由n型AlGaAs半导体多层膜制成的下分布布拉格反射镜(DBR)106、活性区108、由p型AlAs制成的电流限制层110、由p型AlGaAs半导体多层膜制成的上DBR 112、p型GaAs接触层114。

对于基板102，可以通过蚀刻半导体层而形成圆形槽116，使得槽116的深度从接触层114开始直至下DBR 106的一部分。通过槽116，可以限定成为激光发射部的柱形支柱(post)(台面)P，并且可以与支柱P隔离地形成焊盘形成区118。支柱P用作由下DBR 106和上DBR 112构成的谐振器结构，并且在下DBR 106和上DBR 112之间插设有活性区108和电流限制层110。电流限制层110包括通过有选择地使暴露于支柱P的侧面处的AlAs的外周氧化而形成的氧化区110a、以及被该氧化区环绕的导电区，并对导电区中的电流和光进行限制。在平面图中导电区可以呈反映支柱P的轮廓的圆形形状。

在基板的包括槽116在内的整个表面上，可以形成层间绝缘膜120。换言之，层间绝缘膜120可以覆盖支柱P的顶部一部分、槽116、和焊盘形成区118的侧面。在支柱P的顶部，在层间绝缘膜120中可以形成环形接触孔。通过该接触孔，p侧圆形上电极130可以电连接至接触层114。p侧上电极130可以由金或钛/金制成，并在其中心部分处可以形成有限定激光发射区的圆形开口132。在图2的实施例中，开口132被层间绝缘膜120遮挡并被保护而使得GaAs接触层114不会暴露于外部。但是，开口132不是必须被层间绝缘膜120遮挡，而是可以暴露。

在焊盘形成区118中，可以在层间绝缘膜120上形成圆形电极焊盘134。电极焊盘134可以通过在槽116中延伸的引出电极线路136连接到p侧上电极130。在该实施例中，该电极焊盘呈圆形；但是，其不是必须限于圆形。

下面将对根据本发明的第一实施例的VCSEL进行详细描述。图3是示意性剖视图，示出了第一实施例中的下DBR、活性区和上DBR的构造。下DBR 106包括：通过交替地叠置Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.12Ga_0.88As达37.5周期而制成的DBR 106A，Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.12Ga_0.88As均具有2×10¹⁸cm^-3的载流子浓度以及为介质中的波长的1/4的厚度；以及形成在DBR 106A上并具有低掺杂浓度的DBR 106B，通过交替地叠置Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.12Ga_0.88As达3周期而制成DBR 106B，每个Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.12Ga_0.88As均具有1×10¹⁸cm^-3的载流子浓度以及为介质中的波长的1/4的厚度。

活性区108可以由不掺杂的下Al_0.6Ga_0.4As间隔层108a、不掺杂的量子势阱活性层108b(由三个厚度均为70nm的GaAs量子势阱层和四个厚度均为50nm的Al_0.3Ga_0.7As阻挡层制成)以及不掺杂的上Al_0.6Ga_0.4As间隔层108c形成。活性区108的膜厚为介质中的波长。由量子势阱活性层108b的组成所确定的增益峰波长为835nm，并且其中的带隙能为1.485eV。

在活性区108上形成有由AlAs层制成的电流限制层110，该AlAs的膜厚与相邻高Al组成层的厚度的组合为介质中的波长1/4。在电流限制层110的周边，如上所述从支柱P的侧面形成氧化区110a，并且由氧化区110a环绕地形成导电区110b。在单模激光的情况下，导电区110b的直径例如可以小于5微米。

在电流限制层110上设有：具有低掺杂浓度并通过交替地叠置Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.20Ga_0.80As达3周期而制成的低浓度DBR 112A，每个Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.20Ga_0.90As均具有1×10¹⁸cm^-3的载流子浓度，使得各层的厚度变为介质中的波长的1/4；具有高掺杂浓度并通过交替地叠置Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.20Ga_0.80As达1周期而制成的高浓度DBR 112B，每个Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.20Ga_0.80均具有6×10¹⁸m^-3的载流子浓度，使得各层的厚度变为介质中的波长的1/4；以及通过交替地叠置Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.12Ga_0.88As达26周期而制成的DBR 112C，每个Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.12Ga_0.88As均具有2×10¹⁸cm^-3的载流子浓度，使得各层的厚度变为介质中的波长的1/4。对于上DBR 112的最上层，可以形成具有1×10¹⁹cm^-3的载流子浓度及约20nm的膜厚的p型GaAs接触层114。

在活性区108附近叠置下DBR 106中的低浓度DBR 106B和上DBR 112中的低浓度DBR 112A达3周期(对)。在活性区附近的光输出通常较大，如果在该区域中的掺杂浓度较高，则光吸收变大。因此，位于活性区附近的低浓度DBR 106B和112A的掺杂浓度低于DBR 106A和DBR 112C的掺杂浓度。另外，将在上DBR中的低浓度DBR 112A中的低Al半导体层(具有高折射率的半导体层)的Al组成设为0.20，这比Al组成为0.12的DBR 112C高。具有低Al组成的半导体层通常具有低带隙能，其带隙能与活性层的带隙能之差变小，并且在高温驱动期间可以吸收光。为了防止光吸收，将低浓度DBR 112A中的低Al半导体层的Al组成设为高达0.20。

在低浓度DBR 112A上，形成高浓度DBR 112B达1周期。尤其在低温下驱动VCSEL时，高浓度DBR 112B增强了沿横向的载流子扩散。当例如在-40至-20摄氏度的范围内的低温下驱动VCSEL时，载流子的扩散长度基于温度而变短，并且低浓度DBR 112A中的载流子的迁移率下降。换言之，如图2所示，在支柱P的顶部，从圆形电极130注入的载流子会由于电场而朝向活性区运动。但是，在低温驱动期间，因为在低浓度DBR112A中沿横向的载流子扩散并不充分，所以不能向支柱P的光轴(中心)注入载流子，通过电流限制层110中的导电区110b向活性区108注入的载流子会减少。结果，光轴的光输出的轮廓会下降。通过在低浓度DBR 112A上形成高浓度DBR 112B，可以增强在低温驱动时沿横向的载流子扩散，并且可以增加通过导电区110b向活性区108注入的载流子。

将高浓度DBR 112B中的低Al半导体层的Al组成设为与低浓度DBR112A同样高的0.20，使其与活性层108b之间的带隙能差更大，从而可以抑制光吸收。高浓度DBR 112B的掺杂浓度高达6×10¹⁸；但是，高浓度DBR 112B与活性区108间隔开的距离等于低浓度DBR 112A的厚度，并且高浓度DBR 112B的周期仅为1，由此可以将高浓度DBR 112B自身的光吸收抑制为最小。在该实施例中，高浓度DBR 112B中的周期数为1，高浓度DBR 112B中的周期数优选最大为小于等于3。这是因为如果高浓度DBR112B中的周期数更大，则杂质的光吸收就会大于通过横向载流子扩散得到的光输出的提高。另外，在上述实施例中，形成在活性区附近的各低浓度DBR 106B和112A具有3周期；但是，该周期的数量优选为5。这是因为距活性区约5周期的距离处的光输出通常较大，由此有效地使在该距离处的带隙能差较大。

图4是曲线图，示出了在DBR的对数保持不变而谐振器波长的能量与构成DBR的低Al半导体层的Al组成的带隙能之差变化时，在恒定驱动电流下，85摄氏度下的光输出与室温(25摄氏度)下的光输出的比率。考虑到随着温度升高活性层的增益峰波长变大，将谐振器波长设为稍高于由活性层(能量为1.485eV)的组成确定的835nm的增益峰波长。

当低浓度DBR 112A中的低Al半导体层的Al组成为0.20时，带隙能为1.673eV并且与谐振器波长能量之差为约0.188eV。在这种情况下，在85摄氏度时的光输出比率为约0.68。另一方面，当低Al半导体层的Al组成为与DBR 112C相同的0.12时，带隙能为1.574eV并且与谐振器波长能量之差为约0.089eV。在这种情况下，在85摄氏度时的光输出比率为约0.60。

如图4所示，当能差小于0.1eV时，由于构成DBR并具有低Al组成的AlGaAs半导体层所进行的光吸收而产生的热增加，在高温下光输出的比率下降至低于0.6。另一方面，当能差高于0.3eV时，构成DBR的半导体层之间的折射率差减少，这样使反射率下降并使阈值增加。因此，在高温下在恒定驱动电流时的光输出减少，并且在高温下的光输出比率下降至低于0.6。通常，如果光输出的减少量大于等于2dB，那么其就不能作为系统进行工作。因此，优选将具有低Al组成的AlGaAs层的带隙能与谐振器波长(或者活性层108b的增益峰波长)的能量之差设定为大于等于0.1eV并小于等于0.3eV，使得在高温下光输出的减少变为小于2dB。通过这样设定，在以恒定驱动电流驱动VCSEL时，可以抑制高温下的光输出与室温下的光输出的比率的下降。

下面将对本发明的第二实施例进行描述。图5示出了根据本发明第二实施例的下DBR、活性区和上DBR的构造。除了下DBR中的低浓度DBR之外，第二实施例中的构造与第一实施例中的相同。在第二实施例中，下DBR 106中的低浓度DBR 106C具有低掺杂浓度，而且具有低Al半导体层，其Al组成为0.20，这比Al组成为0.12的DBR 106A高。通过使得在活性区附近的低浓度DBR 106C中的低Al半导体层的带隙能差较大，可以抑制n侧下DBR中的光吸收。

下面将参照图6A至图8B对根据第二实施例的VCSEL的制造方法进行描述。如图6A所示，通过金属有机化学汽相沉积(MOCVD)，在n型GaAs基板102上沉积具有2×10¹⁸cm^-3的载流子浓度及约0.2微米厚度的n型GaAs缓冲层104。在缓冲层104上，交替地叠置厚度均为介质中的波长的1/4的Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.12Ga_0.88As达37.5周期。在其上交替地叠置Al_0.9Ga_0.1As和具有增加Al组成的Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.20Ga_0.80As达3周期，每个Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.20Ga_0.80As均具有1×10¹⁸cm^-3的载流子浓度以及为介质中的波长的1/4的厚度。上述两种半导体镜面层构成了总厚度约为4微米的下n型DBR 106。在下DBR 106上叠置厚度为介质中的波长的活性区108，活性区108由不掺杂的下Al_0.6Ga_0.4As间隔层、不掺杂的量子势阱活性层(由三个厚度均为70nm的GaAs量子势阱层和四个厚度均为50nm的Al_0.3Ga_0.7As阻挡层制成)以及不掺杂的上Al_0.6Ga_0.4As间隔层形成。在活性层108上叠置使得能够通过氧化对电流进行限制的AlAs层110，在AlAs层110上形成有通过交替地叠置均具有1×10¹⁸cm^-3的载流子浓度的p型Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.20Ga_0.80As达3周期而制成的上DBR 112，使得各层的厚度变为介质中的波长的1/4，进一步在其上交替地叠置均具有6×10¹⁸cm^-3的载流子浓度的p型Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.20Ga_0.80As达1周期，使得各层的厚度变为介质中的波长的1/4，最后交替地叠置均具有2×10¹⁸m^-3的载流子浓度的p型Al_0.9Ga_0.1As和Al_0.12Ga_0.88As达26周期，使得各层的厚度变为介质中的波长的1/4。应注意，具有1×10¹⁸m^-3的载流子浓度并邻近AlAs层的p型Al_0.9Ga_0.1As层的膜厚被调整为，使得AlAs层和Al_0.9Ga_0.1As层的组合膜厚为介质中的波长的1/4。上述由三个半导体镜面层形成的p型上DBR 112具有约2微米的厚度。最后，叠置具有1×10¹⁹cm^-3的载流子浓度和约20nm的厚度的p型GaAs接触层114作为最上层。

尽管没有详细描述，为了降低DBR的电阻，可以在Al_0.9Ga_0.1As与Al_0.20Ga_0.80As或Al_0.12Ga_0.88As之间的界面上设置厚度约为20nm的区域，在该区域中，Al组成从90％逐步变化到20％或12％。在该实施例中，通过轮换使用三甲基镓、三甲基铝和胂作为源气体，并使用环戊二茂镁(cyclopentadinium magnesium)、碳作为p型掺杂剂，使用硅烷作为n型掺杂剂，在将基板温度保持为750摄氏度且不破坏真空的情况下，连续地沉积以形成所述层。

接着，如图6B所示，通过使用光刻处理，在晶体生长层上形成抗蚀剂掩模R。然后，如图6C所示，通过使用三氯化硼作为蚀刻气体进行反应离子蚀刻，以将圆形槽116形成至下DBR 106的中部。通过该处理，可以形成多个直径约为10至30微米的柱形半导体支柱P或多个直角棱镜形半导体支柱P以及包围支柱P的焊盘形成区118。

接着，如图7A所示，例如在340摄氏度下使基板暴露于蒸汽环境一定时间以执行氧化处理。构成电流限制层110的AlAs层具有比也构成电流限制层110的一部分的Al_0.9Ga_0.1As、Al_0.88Ga_0.12As和Al_0.20Ga_0.80As明显高的氧化速度，并从支柱P的侧表面被氧化以形成反映支柱形状的氧化区110a。未被氧化的未氧化区(导电区)成为电流注入区或导电区。

接下来，在除去抗蚀剂R之后，如图7B所示，通过使用等离子体CVD设备，在基板的包括槽116在内的整个表面上沉积由SiN等制成的层间绝缘膜120。之后，如图7C所示，通过使用通常的光刻处理和干蚀刻对层间绝缘膜120进行蚀刻，以除去在支柱P的顶部处的层间绝缘膜120并在其中形成圆形接触孔120a。可选的是，接触孔120a可以制成环形，成为发射区的上DBR的接触层可以用SiN进行保护，如图2所示。

之后，如图8A所示，通过使用光刻处理在支柱P的上部的中心部形成抗蚀剂图案R1。从抗蚀剂图案R1的上方，通过使用EB沉积设备，沉积厚度为100至1000nm(优选为600nm)的Au作为p侧电极材料。当剥离抗蚀剂图案R1时，如图8B所示除去抗蚀剂图案R1上的Au，并形成上电极130、电极焊盘134和引出线路136。激光将从没有p侧电极的部分，即从支柱的中心部处的开口132发射。开口132的直径可优选在3至20微米的范围内。尽管这里没有详细描述，形成于支柱P上的金属开口部可以在形成支柱之前形成。

在基板的背面上，沉积Au/Ge作为n电极。之后，以在250至500摄氏度范围内的温度下，并优选在300至400摄氏度范围内的温度下的退火温度进行退火达10分钟。退火持续时间并不是必须限于10分钟，可以在0至30分钟的范围内。而且，沉积方法并不是必须限于EB沉积，可以使用电阻加热方法、溅射方法、磁控管溅射方法或CVD方法。另外，退火方法并不是必须限于使用通常电炉的热退火，通过使用红外辐射的激光退火或快速退火、高频加热退火、电子束退火或灯加热退火，可以获得相似的效果。

尽管已详细地描述了本发明的示例性实施方式，但本发明并不限于这些具体实施方式，可以在不脱离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，进行各种修改和变动。例如，在上述实施例中，使用了AlGaAs作为化合物半导体层；但是，也可以使用其它III-V族半导体。此外，可以根据设计适当地改变Al组成或掺杂剂浓度。另外，尽管在所述实施例中n侧电极形成在基板的背面上；可选的是，可以形成与叠置在基板上的n型半导体层电连接的n侧电极。在这种情况下，可以使基板电绝缘，并从基板侧发射激光。

下面将参照附图对模块、光传输装置、自由空间光通信系统等进行描述。图9A是示出了其中安装有VCSEL的封装件(模块)的构造的剖视图。在封装件300中，通过导电粘合剂320将其中形成有VCSEL的芯片310固定在盘形金属管座330上。将导电引线340和342插入形成在管座330中的通孔(未示出)。一根引线340电连接到VCSEL的n侧电极，另一根引线342电连接到p侧电极。

在包括芯片310的管座330之上，固定有矩形中空帽350，并且球透镜360固定在帽350的中心部处的开口352中。球透镜360的光轴定位成与帽310的大致中心匹配。当在引线340和342之间施加正向电压时，从芯片310垂直地发出激光。芯片310与球透镜360之间的距离被调整成，使得球透镜360包含在来自芯片310的激光的发散角θ内。在该模块中，可以包含光感测元件或热传感器，以监视VCSEL的发射状态。

图9B示出了另一封装件的构造。在图9B所示的封装件302中，代替使用球透镜360，在帽350的中心部处的开口352中固定有平板玻璃362。平板玻璃362的中心定位成与芯片310的大致中心匹配。芯片310与平板玻璃362之间的距离被调整成，使得平板玻璃362的开口直径大于等于来自芯片310的激光的发散角θ。

图10示出了其中VCSEL用作光源的实施例。光照射装置370包括：封装件300，如图9A或图9B所示在该封装件中安装有VCSEL；准直透镜372，其从封装件300注射多束激光；以一定速度旋转的多角镜374，其以一定的发散角反射来自准直透镜372的光线；fθ透镜376，其接收来自多角镜374的激光并将该激光投射在反射镜378上；线形反射镜378；以及感光鼓380，其基于来自反射镜378的反射光而形成潜像。这样，VCSEL可以用作用于诸如复印机或打印机的配有光学系统和机构的光学数据处理设备的光源，所述光学系统将来自VCSEL的激光收集在感光鼓上，所述机构对感光鼓上所收集的激光进行扫描。

图11是一剖视图，示出了其中图9A所示的模块应用于光传输装置的构造。光传输装置400包括固定于管座330的筒形壳体410、在其边缘表面上与壳体410一体形成的套筒420、保持在套筒420的开口422中的套环430、以及由套环430保持的光纤440。在沿管座330的圆周方向形成的凸缘332中，固定有壳体410的边缘部分。套环430正好定位在套筒420的开口422中，并且光纤440的光轴与球透镜360的光轴对准。在套环430的通孔432中，保持有光纤440的光芯。

通过球透镜360使从芯片310的表面发射的激光聚集。聚集光被注入光纤440的光芯中并被传输。尽管在上述实施例中使用球透镜360，也可以使用诸如双凸透镜或平凸透镜的其它透镜。另外，光传输装置400可以包括用于向引线340和342施加电信号的驱动电路。此外，光传输装置400可以具有通过光纤440接收光信号的接收功能。

图12示出了其中图9A或图9B所示的模块用于自由空间光通信系统中的构造。自由空间光通信系统500包括封装件300、聚光透镜510、扩散板520和反射镜530。通过反射镜530的开口532由扩散板520来反射被聚光透镜510聚集的光。反射光被朝向反射镜530反射。反射镜530朝向预定方向反射反射光，以进行光传输。

图13A示出了其中VCSEL用作光源的光传输系统的构造的实施例。光传输系统600包括：光源610，该光源包含其中形成有VCSEL的芯片310；光学系统620，其例如用于聚集从光源610发射的激光；光接收器630，其用于接收从光学系统620输出的激光；以及用于控制光源610的驱动的控制器640。控制器640向光源610提供用于驱动VCSEL的驱动脉冲信号。借助用于自由空间光通信的光纤或反射镜，通过光学系统620将从光源610发射的光传输至光接收器630。光接收器630例如通过光电探测器来检测所接收的光。光接收器630能够通过控制信号650控制控制器640的操作(例如，光传输的开始时间)。

图13B示出了用作光传输系统的光传输装置的构造。光传输装置700包括外壳710、光信号传输/接收连接器720、光发射/光接收元件730、电信号电缆连接器740、功率输入端750、用于指示正常操作的LED 760、用于指示异常的LED 770以及DVI连接器780，并包括安装在内部的传输电路板/接收电路板。

图14示出了其中使用光传输装置700的视频传输系统。视频传输系统800使用图13B所示的光传输装置而将在视频信号发生器810处产生的视频信号传输至诸如液晶显示器的图像显示器820。更具体地说，视频传输系统800包括视频信号发生器810、图像显示器820、用于DVI的电缆830、传输模块840、接收模块850、用于视频信号传输光信号的连接器860、光纤870、用于控制信号的电缆连接器880、电源适配器890以及用于DVI的电缆900。

根据本发明的VCSEL装置可以用于诸如光学数据处理或光学高速数据通信的领域中。

为了例示和描述的目的提供了对实施例的前述说明，并不旨在限制本发明的范围。应理解，可以在满足本发明的构成需要的本发明范围内，用其它方法来实施本发明。