專利名稱：具有模控制的vcsel半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及垂直空腔面射型激光器(VCSEL)，且更具體而言涉及通過對上部鏡面或臺面結(jié)構(gòu)進行選擇性圖案化而形成的具有模控制的VCSEL。
背景技術(shù)：
一典型的VCSEL配置包括一有源區(qū)域，所述有源區(qū)域位于兩個在襯底晶片表面上彼此上下疊置的兩個鏡面之間。一位于這些鏡面之間的絕緣區(qū)域迫使電流流經(jīng)一小孔徑，且該裝置發(fā)射垂直于晶片表面的激光(即，VCSEL的“垂直”部分)。一種類型的VCSEL(具體而言，為質(zhì)子VCSEL，其中通過一質(zhì)子植入來形成絕緣區(qū)域)一曾主導(dǎo)了VCSEL的早期商業(yè)歷史。在氧化物導(dǎo)向型VCSEL中，絕緣區(qū)域是通過部分氧化鏡面結(jié)構(gòu)內(nèi)的一薄的高鋁含量層而形成的。此相同氧化過程可應(yīng)用于其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生光電子及純電子裝置。
垂直空腔面射型激光器(VCSEL)已經(jīng)成為供在存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)及局域網(wǎng)(LAN)應(yīng)用中所用收發(fā)機選用的激光技術(shù)。存在兩種用于制造VCSEL的主要技術(shù)平臺。這些平臺的差異是基于不同的電流限制技術(shù)，或通過離子植入或通過氧化物層來限制。在一VCSEL內(nèi)形成一電流限制結(jié)構(gòu)的兩種方法是離子植入與選擇性氧化。在離子植入技術(shù)中，離子被植入于上部反射層的一部分內(nèi)以形成一高電阻區(qū)域，由此來限制電流流向一規(guī)定的區(qū)域。在選擇性氧化技術(shù)中，對一臺面結(jié)構(gòu)的周邊區(qū)域進行氧化，由此來界定一由高電阻區(qū)域環(huán)繞的孔徑。
更具體而言，在選擇性氧化方法中，在一上部反射鏡的一下部部分上沉積一擬成為一高電阻區(qū)域的AlGaAs層后，對所得到的結(jié)構(gòu)進行蝕刻，從而在晶片上形成單獨的VCSEL。接下來，將該晶片留置在一氧化氛圍內(nèi)達一預(yù)定時間段，以允許蒸汽擴散至該AlAs層的周邊部分內(nèi)。結(jié)果，在該周邊部分處形成一氧化物絕緣層作為一高電阻區(qū)域，其可限制電流的流動，由此形成一由該高電阻區(qū)域環(huán)繞的孔徑。
形成一VCSEL孔徑時的氧化擴散率對用于氧化擴散的爐的溫度、氧化時間及提供至爐內(nèi)的氧氣量極為敏感。在需要高可重復(fù)性的批量生產(chǎn)中及在形成該孔徑的一特定尺寸中，擴散率的變化是一嚴重問題。
已證明植入型VCSEL極為可靠。然而，對于需要低于2Gb/sec操作速度的應(yīng)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性能的諸多優(yōu)異性質(zhì)，包括較高的速度(已證明大于23Gb/sec)及較高的效率。然而，氧化物VCSEL在SAN及LAN應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的時間并不像植入型VCSEL那樣長。
當(dāng)前的市售10Gb/s VCSEL的電磁波傳播設(shè)計在縱向或生長方向(z軸)上為單模設(shè)計而在橫越或垂直于生長方向的方向(r平面)上為多模設(shè)計。沿z軸將有源半導(dǎo)體層厚度設(shè)計成僅有單種光學(xué)模耦合至激光器增益峰值。在r平面中，所允許的橫模取決于氧化物孔徑的大小。另一種決定模的特性是，從臺面中心沿徑向向外看，氧化物孔徑使所述層的平均折射率存在一約5％的緩慢降低量。此種折射率變化會造成橫模的折射率導(dǎo)向。
在選擇性氧化型VCSEL中，如果為增大輸出功率而擴大發(fā)光區(qū)域的直徑(接近等于一非選擇性氧化區(qū)域的直徑)，則VCSEL會產(chǎn)生不同階的振蕩，即產(chǎn)生所謂的多模振蕩。在多模振蕩中，光譜線寬度變寬且光纖具有模色散特性，因此光纖中的信號衰減增大，或者模狀態(tài)變得不穩(wěn)定且因此主振蕩模階很容易因所注入電流大小的變化及環(huán)境溫度的變化而改變。模階的動態(tài)變化是不可取的，因為其會改變與光纖的耦合效率。
為避免出現(xiàn)因多種橫模而引起的模不穩(wěn)定問題，在現(xiàn)有技術(shù)中已提出了諸多種方法。第6,990,128號美國專利即說明這些用于控制橫模振蕩的方法中的諸多種，且我們在此將重述這些說明。第一種用于確保僅在最低階(0階)基模中出現(xiàn)振蕩的方法是使發(fā)光區(qū)域的直徑變小。然而，當(dāng)VCSEL的發(fā)光區(qū)域的直徑減小至通常4μm或以下(其小于上文所述的高質(zhì)子注入型VCSEL的發(fā)光區(qū)域的直徑)時，這些VCSEL會具有元件電阻偏高且無法產(chǎn)生高輸出功率的缺陷。使橫模穩(wěn)定是在VCSEL在光學(xué)上耦合至光纖時為防止信號出現(xiàn)衰減而提出的一重要要求。此外，需要改良電光特性。
在各種用于在具有優(yōu)異發(fā)光效率及高響應(yīng)性能的選擇性氧化型VCSEL中同時實現(xiàn)使橫模變穩(wěn)定、及減小電阻和增大輸出功率這些相反目標(biāo)的想法中，有一種具有一揭示于IEEE Photonics Technology Letters(第11卷，No.12，第1536-1538頁)中的結(jié)構(gòu)的VCSEL(參見圖13)。在該實例中，發(fā)光區(qū)域的直徑高達20μm，但將一發(fā)出激光的電極孔徑的內(nèi)側(cè)、除從所述孔徑中心起7.75μm半徑以外的區(qū)域蝕刻至一40nm的深度。由于發(fā)光區(qū)域的直徑高達20μm，因此在其中不存在表面處理的情形中，振蕩模的階會隨注入電流的大小而變化且因此會觀察到遠場圖像會出現(xiàn)變化；相比之下，具有孔的面射型半導(dǎo)體激光器會產(chǎn)生一光學(xué)輸出最高達0.7mW的基模，但當(dāng)注入穿過該水平時，所述模會分裂從而使遠場圖像緩慢地變寬。
上文所述VCSEL的意圖是提高在基模中的光學(xué)輸出功率。然而，帶有孔的面射型半導(dǎo)體激光器的最大光學(xué)輸出功率為10.4mW，而在基模中的輸出功率僅為0.7mW?？紤]到在其中不存在表面處理的情形中的最大輸出功率為17.9mW，上文所述的現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)造清楚地表明，很難使橫模變穩(wěn)定并同時產(chǎn)生大的光學(xué)輸出功率。
就此而言，人們已提出了用于對模進行控制的各種其他VCSEL結(jié)構(gòu)。例如，第5,940,422號美國專利即揭示一種其中通過形成兩個具有不同膜厚度的區(qū)域來實施?？刂频腣CSEL。在第′422號專利中，僅一上面沉積有一額外的膜的區(qū)域變?yōu)榘l(fā)光區(qū)域。據(jù)認為，該發(fā)明的目的是人為地確定發(fā)光點的位置而不是通過將VCSEL中所要產(chǎn)生的特定振蕩考慮在內(nèi)來確定位置(例如被描述為一個較佳實施例的產(chǎn)生五個發(fā)光點的振蕩模在現(xiàn)實世界中并不存在)。
此外，第5,963,576號美國專利揭示一種具有一環(huán)形波導(dǎo)的VCSEL。具體而言，該發(fā)明提供一種如下的模其中將各個發(fā)光點規(guī)則地排列于一環(huán)形區(qū)域中，以便產(chǎn)生一“超分辨率點”且不必有意地產(chǎn)生一具有一所確定階的特定振蕩模。
IEEE Photonics Technology Letters(第9卷，No.9，第1193-1195頁)揭示一種具有如下構(gòu)造的VCSEL其中通過蝕刻在一支柱的頂面上形成一環(huán)形空腔，以局部地改變鏡反射率。據(jù)該論文報導(dǎo)，此種裝置的光譜線寬帶減小至不具有空腔的裝置的一半，從而產(chǎn)生對模進行抑制的效應(yīng)。然而，當(dāng)所注入電流的大小增大時，觀察到振蕩光譜會發(fā)生變化。這清楚地表明，一特定振蕩模并非一直為支配性模，換句話說，所述模不穩(wěn)定。
此外，Electronics Letters(第34卷，No.7，第681-682頁，1998年4月)提出一種具有一如下構(gòu)造的VCSEL在該構(gòu)造中，通過蝕刻在一支柱的頂面上形成一環(huán)形空腔并在所述空腔的外周邊部分上形成一環(huán)形發(fā)光區(qū)域。近場圖案清楚地表明產(chǎn)生了一極高階(大于第30階)的模且同時發(fā)光點的強度存在很大的變化。這表明難以向一內(nèi)徑高達30μm的環(huán)形區(qū)域內(nèi)注入均勻的電流。因此，為在實際應(yīng)用中獲得穩(wěn)定的高階模振蕩，VCSEL仍有很大的改良空間。
如上文所述，對于期望用作多模式型光纖的光源的VCSEL而言，VCSEL技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)水平無法提供一種能滿足使橫模穩(wěn)定這一要求且具有高輸出功率、低電阻、高效率及高速度響應(yīng)的裝置。
第6,990,128號美國專利揭示一種用于制作單模VCSEL的方法。然而，其所支持的單模是一高階橫模而非基模。
第6,990,128號美國專利闡述提供一諧振器并揭示一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有一其中形成有一發(fā)光區(qū)域的第一區(qū)域、一有源層、及一第二反射層，所述第二反射層形成為將所述有源層夾于第一反射層與第二反射層之間，其中所述發(fā)光區(qū)域包括一用于抑制除一特定振蕩模以外各振蕩模的發(fā)光的邊界區(qū)域；具體而言，復(fù)數(shù)個通過所述邊界區(qū)域大體劃分的經(jīng)劃分區(qū)域，以產(chǎn)生一對應(yīng)于所述特定振蕩模的發(fā)光點。
此種設(shè)計的缺點在于1.由于除單個模之外的所有模均受到抑制，因而裝置的總功率輸出偏低。第6,990,128號美國專利中的圖5顯示“帶孔”及“不帶孔”的LI曲線。總輸出功率降低差不多50％，且看起來當(dāng)采用模選擇時LI曲線在一較低驅(qū)動電流下滾動。相應(yīng)地，低輸出功率會限制使用此種設(shè)計的任何光學(xué)鏈路的長度。
2.如在該專利中所詳述(例如圖3A、3B、7A、7B、8A、8B...)，為選擇一高階單模，在制作激光器時必須使用一復(fù)雜且精確的圖案。另外，該專利并未論述圖案與氧化物孔徑的對齊會如何影響裝置性能。
3.由于當(dāng)與單模光纖一起使用時有意地使該裝置為單模裝置，因而此種單模激光器具有能消除模色散的優(yōu)點。然而，如果使用多模光纖或者多模波導(dǎo)，單模激光器通常會因在光纖中傳播的同時進行?；旌隙霈F(xiàn)明顯的抖動。當(dāng)在多模光纖中使用單模激光器時，精確地控制激光器發(fā)射條件非常重要，而此會增加系統(tǒng)的成本及復(fù)雜度。關(guān)于單模激光器的第二個基本問題是從耦合光學(xué)器件向激光器空腔內(nèi)的背反射。由于存在單模，因而背反射會使激光器不穩(wěn)定，從而增大信號的抖動。該問題的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決方案是在激光器與耦合光學(xué)器件之間插入一光隔離器(此會增加系統(tǒng)的成本及復(fù)雜度)、或者將激光器功率限制至一其中空腔中的干涉不造成問題的水平(然而，由于功率的限制，此會限制此種裝置可用于的應(yīng)用)。
現(xiàn)在有必要對VCSEL中的橫模進行更詳細的分析及說明?？蓪M模劃分成兩種類別氧化物孔徑中心模(ACM)及氧化物孔徑邊緣模(AEM)。由于氧化層的光學(xué)散射，ACM的本征損耗將始終低于AEM的本征損耗。因此，ACM具有較低的閾值增益，且其將在AEM之前發(fā)出激光，并在閾值附近主導(dǎo)激光發(fā)射。然而，除了一透明觸點覆蓋激光發(fā)射孔徑的情形之外，所注入的電流將始終具有一從氧化物孔徑的外側(cè)朝孔徑中心移動的徑向分量。由于此種徑向電流注入，在遠高于閾值時，AEM將會主導(dǎo)激光發(fā)射。在高于閾值時，載流子壽命會因模擬發(fā)射而顯著降低。因此，載流子擴散長度減小且其將不再能夠到達孔徑的中心處。
難以獲得窄的光譜寬度的原因是在選取氧化物孔徑的尺寸時存在固有的折衷。孔徑變小會減少所允許的橫模的數(shù)量，但存在諸多與裝置可靠性相關(guān)的問題首先，裝置電阻與孔徑直徑的平方成反比。從此種角度來看，通過與驅(qū)動器進行阻抗匹配來設(shè)定最小孔徑尺寸。第二，ESD破壞閾值也與孔徑直徑的平方成反比。ESD閾值變低會增加制造工藝的成本及復(fù)雜度并增大出現(xiàn)現(xiàn)場故障的風(fēng)險。第三，耗損可靠性與電流密度的平方成正比。在恒定電流情況下，耗損壽命與孔徑直徑的四次方成反比。第四，熱阻抗與孔徑直徑成反比。越小的裝置具有越高的結(jié)面溫度且因而具有越短的耗損壽命。第五，越小的孔徑要求具有越高比例的氧化AlGaAs，而此會增大激光器中的機械應(yīng)變。
現(xiàn)有技術(shù)VCSEL中的另一問題是光譜寬度對驅(qū)動電流及環(huán)境溫度的敏感性。這些效應(yīng)起因于ACM與AEM之間的競爭與因氧化物孔徑的大小而存在的橫模數(shù)量這兩者。隨著驅(qū)動電流的增大，會有更多的更高損耗的AEM達到閾值。因而，激光器的SW會隨驅(qū)動電流而增大。在低的溫度下，激光器中的總損耗會降低，且會有更多的AEM達到閾值。因此，SW也隨溫度降低而增大。再一問題是因在調(diào)制一多模VCSEL時的模競爭而引起的抖動及下沖問題，此種模競爭是因在調(diào)制激光器時ACM與AEM模交替地起主導(dǎo)作用而引起的。與AEM模相比，ACM模對電流調(diào)制的反應(yīng)較慢。首先，載流子必須擴散得更遠才能到達孔徑中心處。第二，由于氧化物孔徑的散射，AEM模具有額外損耗。最終結(jié)果是光學(xué)壽命縮短，并在調(diào)制激光器時允許光學(xué)模更好地跟蹤驅(qū)動電流。
在本發(fā)明之前，尚不存在一種適用于遠距離傳輸、高數(shù)據(jù)傳輸率應(yīng)用且具有窄光譜寬度的在商業(yè)上可行的氧化物型VCSEL。

發(fā)明內(nèi)容
1.發(fā)明目的本發(fā)明的一目的是提供一種對橫模具有改良的模控制的半導(dǎo)體激光器裝置結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有窄的光譜寬度的改良型垂直空腔面射型激光器(VCSEL)。
本發(fā)明還有另一目的是提供一種具有?？刂魄覍︱?qū)動電流及環(huán)境溫度具有更大的不靈敏性的改良型VCSEL。
本發(fā)明的再一目的是提供一種具有一其中移除上部鏡面層的某些部分以進行?？刂频呐_面的VCSEL結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的再一目的是提供一種蝕刻工藝來移除一VCSEL結(jié)構(gòu)的發(fā)光區(qū)域的一部分并由此實現(xiàn)對具有窄光譜寬度的VCSEL裝置的模控制及始終如一的制作、測試和可靠性。
2.本發(fā)明的特征簡要且一般地說，本發(fā)明提供一種面射型激光器，其具有一具有頂面及底面的襯底；一位于所述襯底頂面上的折射率交替變化的第一鏡面層堆疊；一位于所述第一堆疊上的有源層，所述有源層具有一在所述有源層的一相鄰基礎(chǔ)層部分上方伸出的臺面；一位于所述臺面的頂面上的第二鏡面層堆疊，所述鏡面層堆疊具有交替變化的折射率；及一位于所述臺面中心的凹陷部分，其貫穿所述第二鏡面層堆疊的至少某些層鏡面層。
在另一個方面中，本發(fā)明還提供一種用于制造一垂直空腔面射型激光器的方法，其包括提供一襯底；在該襯底上形成一第一平行鏡面堆疊；在所述第一平行鏡面堆疊上形成一有源及間隔層；在所述有源及間隔層上形成一第二平行鏡面堆疊；蝕刻所述第二平行鏡面堆疊來界定一臺面形結(jié)構(gòu)；氧化該臺面形結(jié)構(gòu)以在該臺面內(nèi)形成一電流限制中心區(qū)域；及蝕刻所述臺面結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域的一部分來移除所述第二平行鏡面堆疊的一部分。
本發(fā)明的一個方面是將所允許的橫模數(shù)量與氧化物孔徑的尺寸解耦合，從而避免與電阻相關(guān)聯(lián)的問題及與較小的孔徑相關(guān)聯(lián)的可靠性問題。
本發(fā)明的另一個方面是阻尼或減少ACM，以使因徑向電流注入所引起的模競爭最小化或得到消除。


圖1A是一在現(xiàn)有技術(shù)中已知的氧化物限制型VCSEL的一放大比例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視圖；圖1B是一在現(xiàn)有技術(shù)中已知的溝槽式氧化物限制型VCSEL的一放大比例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視圖；圖2是一根據(jù)本發(fā)明的臺面式氧化物限制型VCSEL的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖；圖3是一根據(jù)本發(fā)明的臺面式氧化物限制型VCSEL的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖；圖4是一曲線圖，其繪示與根據(jù)本發(fā)明的新型VCSEL相比，現(xiàn)有技術(shù)VCSEL在不同電流及在不同溫度下的光譜寬度；圖5A是在根據(jù)本發(fā)明的第一工藝步驟中在通過氧化一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的周邊側(cè)壁而在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)形成一電流限制中心區(qū)域后的所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖；圖5B是在根據(jù)本發(fā)明的第二工藝步驟中在通過蝕刻襯底及臺面結(jié)構(gòu)的某一部分而在所述臺面結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域內(nèi)形成一凹槽后的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖；圖5C是在根據(jù)本發(fā)明的第三工藝步驟中在一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中沉積n型及p型電阻性觸點之后所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖；圖5D是在根據(jù)本發(fā)明的第四工藝步驟中在一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的某些部分上沉積聚酰亞胺層之后所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖；圖5E是在根據(jù)本發(fā)明的第五工藝步驟中在一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上沉積一金屬焊墊層之后所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)沿圖6所示E-E平面的局部剖視詳視圖；圖5F是在根據(jù)本發(fā)明的第五工藝步驟中在一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上沉積一金屬焊墊層之后所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)沿圖6所示F-F平面的局部剖視詳視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的VCSEL半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一實施例的局部剖視圖。
具體實施例方式
下文將闡述本發(fā)明的細節(jié)，包括其實例性方面和實施例。參見附圖和下文的詳細說明，相同的參考編號用于指代相同或功能上相似的元件，且旨在以極度簡化的圖示方式圖解說明實例性實施例的主要特點。而且，各圖式既非旨在繪示實際實施例的每一特點，也非旨在繪示所示元件的相對尺寸，且也未按比例繪制。
參見圖1a，其顯示一在現(xiàn)有技術(shù)中已知的氧化物限制型VCSEL的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視圖。具體而言，VCSEL 100包括一激光器空腔區(qū)域105，所述激光器空腔區(qū)域105界定于一形成一第一鏡面堆疊的第一半導(dǎo)體區(qū)域102與一形成一第二鏡面堆疊的第二半導(dǎo)體區(qū)域103之間。半導(dǎo)體區(qū)域102及103設(shè)置于一可通常為p型砷化鎵的襯底104上?？涨粎^(qū)域105包括一個或多個有源層(例如，一量子阱或一個或多個量子點)。這些有源層可由AlInGaAs(即AlInGaAs、GaAs、AlGaAs、及InGaAs)、InGaAsP(即InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP、及GaP)、GaAsSb(即GaAsSb、GaAs、及GaSb)、InGaAsN(即InGaAsN、GaAs、InGaAs、GaAsN、及GaN)、或AlIn GaAsP(即AlInGaAsP、AlInGaAs、AlGaAs、InGaAs、InGaAsP、GaAs、InGaAs、GaAsP、及GaP)形成。也可使用其它的量子阱層成分。所述有源層可夾于一對間隔層106、107之間。第一及第二間隔層106、107可由鋁、鎵及砷構(gòu)成且根據(jù)有源層的材料成分來選擇。該結(jié)構(gòu)設(shè)置有電觸點，以便能夠?qū)CSEL 100應(yīng)用一合適的驅(qū)動電路。
襯底104可由GaAs、InP、藍寶石(Al2O3)或InGaAs形成且可為未經(jīng)摻雜、經(jīng)摻雜的n型(例如摻雜有Si)或經(jīng)摻雜的p型(例如摻雜有Zn)。一緩沖層可在形成VCSEL 100之前生長于襯底104上。在圖1的例示性示意圖中，將第一及第二鏡面堆疊102、103設(shè)計成使激光能夠自VCSEL 100的頂部表面發(fā)射，在其他實施例中，可將這些鏡面堆疊設(shè)計成使激光能夠自襯底104的底部表面發(fā)射。
在操作中，將一操作電壓施加至電觸點以在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一電流。該電流將流經(jīng)所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一中心區(qū)域，從而導(dǎo)致在空腔區(qū)域105的一中心部分中發(fā)射激光。一由一環(huán)繞氧化物區(qū)域101或離子植入?yún)^(qū)域或兩者界定而成的限制區(qū)域提供對載流子及光子的橫向限制。該限制區(qū)域的相對高的電阻率會使電流被引導(dǎo)至且流經(jīng)所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一位于中心的區(qū)域。具體而言，在氧化物VCSEL中，對光子的光學(xué)限制是由于形成一明顯減小的折射率分布，所述折射率分布引導(dǎo)在空腔區(qū)域105中所產(chǎn)生的光子。所述載流子及光學(xué)橫向限制會增加有源區(qū)域內(nèi)載流子及光子的密度并提高有源區(qū)域內(nèi)光的產(chǎn)生效率。
在某些實施例中，限制區(qū)域101界定VCSEL 100的一中心區(qū)域，而該中心區(qū)域界定一較佳供VCSEL電流流經(jīng)的孔徑。在其它實施例中，可使用氧化物層作為VCSEL結(jié)構(gòu)內(nèi)分布式布拉格反射鏡的一部分。
第一及第二鏡面堆疊102及103各自分別包括一由不同折射率材料構(gòu)成的交替層系統(tǒng)，該交替層系統(tǒng)形成一分布式布拉格反射鏡(DBR)。這些材料是根據(jù)所期望的操作激光波長(例如，一介于650納米至1650納米范圍內(nèi)的波長)來選擇的。例如，第一及第二鏡面堆疊102、103可由高含鋁量的AlGaAs及低含鋁量的AlGaAs交替層形成。第一及第二鏡面堆疊102、103的這些層較佳具有一大約為激光器操作波長的四分之一的有效光學(xué)厚度(即層的厚度乘以層的折射率)。
第一鏡面堆疊102可通過常規(guī)的外延生長方法(諸如金屬-有機化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)或分子束外延法(MBE))并隨后進行蝕刻來形成。
一旦第一鏡面堆疊102、活性層105及第二鏡面堆疊103均制備完成，即可將該結(jié)構(gòu)圖案化以形成一個或多個單獨的VCSEL。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的任何方法為第二鏡面堆疊103的上表面設(shè)置一光阻材料層。曝光該光阻材料層并移除材料以界定一臺面108或一溝槽的位置與大小(顯示于圖1b中)。然后，使用現(xiàn)有技術(shù)中所已知的任何適合方法(諸如干或濕蝕刻方法)蝕刻鏡面堆疊103以形成臺面108或溝槽。典型的干蝕刻方法使用氯、氮及氦離子，而濕蝕刻方法則使用硫酸或磷酸蝕刻劑。在該臺面式實施例中，臺面的直徑可介于25至50微米的范圍內(nèi)，或較佳為大約40微米，且高出襯底表面大約三至五微米。在將在圖1b中所示的溝槽式實施例中，溝槽將完全圍繞并界定一大體臺面形區(qū)域。在這兩個實施例中，所述臺面均具有一大體圓形截面。
在該加工順序結(jié)束時，將一諸如氮化硅(SiNx)的介電材料層沉積在VCSEL 100的整個表面上，且穿過臺面形結(jié)構(gòu)108的上部表面蝕刻一開口以大致重合及界定一光發(fā)射區(qū)109。一透明金屬接觸層沉積于所述發(fā)光區(qū)域中且延續(xù)于臺面形結(jié)構(gòu)108上面，以界定一電觸點窗口且提供足夠的表面來用于一外部電觸點。通常，所使用的透明金屬是氧化錫銦(ITO)、氧化錫鎘、或類似材料。若需要，可在層上沉積額外的常規(guī)金屬。應(yīng)注意，電接觸窗口基本上控制著上部平行鏡面堆疊內(nèi)的電流分配。
圖1b顯示另一在現(xiàn)有技術(shù)中所已知的VCSEL 100的透視圖，VCSEL 100例如描繪于第2003/0219921號公開的美國專利申請案或者第6,628,694號美國專利中，其包括一絕緣區(qū)域，所述絕緣區(qū)域可通過對一相關(guān)聯(lián)VCSEL鏡面結(jié)構(gòu)內(nèi)的一薄的高含鋁量層進行局部氧化來形成。與圖1a中所示的臺面式結(jié)構(gòu)108不同，圖1b顯示一環(huán)繞有一溝槽200的由氧化物絕緣的VCSEL 100的示意性剖視圖。如在圖1b中所示，VCSEL 100大體包括一發(fā)射孔徑109、一形成一孔徑的經(jīng)氧化物或離子植入的限制區(qū)域101、及一有源區(qū)域105。
圖2是一根據(jù)本發(fā)明的臺面式氧化物限制型VCSEL的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖。一大體圓柱形的凹槽110或凹痕(divot)設(shè)置于孔徑109的中心中，其垂直地貫穿形成第一鏡面堆疊的區(qū)域103。橫向光學(xué)模P11、P13及P31具有一集中于氧化物孔徑中心處的功率密度，且如我們在上文中所指出，此對于許多VCSEL應(yīng)用而言是不利的。相應(yīng)地，凹槽110在孔徑109的中心處形成光學(xué)損耗并壓制或抑制模P11、P13及P31。
圖3是一根據(jù)本發(fā)明的溝槽式氧化物限制型VCSEL的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖。同樣，提供一中心圓柱形凹槽110來壓制或抑制橫向光學(xué)模。
圖4是一曲線圖，其繪示與根據(jù)本發(fā)明的新型VCSEL相比，現(xiàn)有技術(shù)VCSEL在不同電流及在不同溫度下的光譜寬度。從圖中可見，在一自5至8ma的驅(qū)動電流情況下，現(xiàn)有技術(shù)裝置的光譜寬度介于0.4至高于0.5nm之間。從圖中可見，本發(fā)明的圖2所示實施例中的新型VCSEL則在相同的溫度及電流驅(qū)動范圍內(nèi)具有介于低于0.3至0.38nm范圍的光譜寬度。
圖5A是在根據(jù)本發(fā)明的第一工藝步驟中在通過氧化一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的周邊側(cè)壁而在所述結(jié)構(gòu)內(nèi)形成一電流限制中心區(qū)域后的所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖。臺面108具有一帶有大體發(fā)光區(qū)域109的大體平整的頂面。
圖5B是在根據(jù)本發(fā)明的單個第二工藝步驟中在通過蝕刻襯底及臺面結(jié)構(gòu)的某一部分而在所述臺面結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域內(nèi)形成一凹槽110后的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖。較佳通過濕蝕刻工藝(例如使用以DI水進行稀釋的HF進行蝕刻)來實施所述蝕刻。另一選擇為，也可使用干蝕刻工藝，例如Cl/CH4反應(yīng)性離子蝕刻(RIE)或反應(yīng)性離子束蝕刻(RIBE)。在該較佳實施例中，所述蝕刻貫穿第一鏡面堆疊103的大部分、及第二鏡面堆疊102的一部分。對襯底進行蝕刻是為了制作通往襯底的電觸點，此將顯示于后續(xù)步驟中。
圖5C是在根據(jù)本發(fā)明的第三工藝步驟中在一半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中沉積n型及p型電阻性觸點之后所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖。p型觸點111是一大體環(huán)形的圓環(huán)(顯示于圖6中)，其與表面109進行電阻性電接觸。n型觸點112是一環(huán)形段(顯示于圖6中)，其與襯底104進行電阻性電接觸。
圖5D是在根據(jù)本發(fā)明的第四工藝步驟中在圖5C所示半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的某些部分上沉積聚酰亞胺層113之后所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖。聚酰亞胺層113通常在晶片上旋涂至4至6微米的厚度、進行熱固化、并使用所屬技術(shù)領(lǐng)域中所已知的光刻工藝來進行圖案化，以暴露出n型電阻性觸點111及p型電阻性觸點112、以及發(fā)射孔徑109。
圖5E是在根據(jù)本發(fā)明的第五工藝步驟中在圖5D所示半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上沉積金屬焊墊層114及115之后所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)沿圖6所示E-E平面的局部剖視詳視圖。層114與n型電阻性觸點111進行電接觸，且層115與p型電阻性觸點112進行電接觸。
圖5F是在根據(jù)本發(fā)明的第五工藝步驟中在圖5D所示半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上沉積一金屬焊墊層之后所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)沿圖6所示F-F平面的局部剖視詳視圖。圖中顯示層115在圖的左手側(cè)上與p型電阻性觸點112進行電接觸，且層115的另一部分在圖的右手側(cè)上與p型電阻性觸點112進行電接觸。
圖6是圖5E及圖5F所示半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在根據(jù)本發(fā)明的第五工藝步驟中在所述結(jié)構(gòu)上沉積金屬焊墊層114及115之后的俯視平面圖。
圖7是一根據(jù)本發(fā)明的第二實施例中臺面式氧化物限制型VCSEL的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的局部剖視詳視圖。除在孔徑109中心處提供垂直地貫穿區(qū)域103(其形成第一鏡面堆疊)的大體圓柱形凹槽110或凹痕之外，還提供一環(huán)形溝槽150，所述環(huán)形溝槽150以與凹槽110相同的深度垂直地貫穿區(qū)域103。因此，孔徑中心模與孔徑模二者均受到抑制。
本發(fā)明不具有現(xiàn)有技術(shù)(例如第6,990,128號美國專利)的缺點，因為本發(fā)明并不力圖獲得單模輸出。在所示的本發(fā)明實施例中，當(dāng)增加所述凹痕時，激光器輸出功率減小5％至10％。另外，由于所述凹痕所實現(xiàn)的改良的熱特性，LI滾動點被推至更高的驅(qū)動電流。由于本發(fā)明旨在抑制ACM，因而在VCSEL臺面內(nèi)所蝕刻的形狀對于裝置性能而言并不重要。試驗結(jié)果表明，對于氧化物孔徑中心處的圓形圖案而言，圓的大小變化+/-10％并不會明顯地影響裝置性能。另外，所述圓偏移其半徑大小的一半也不會影響裝置性能。另外，有意地不將所述凹痕形成于孔徑邊緣附近，使得與所述孔徑的對齊對于裝置性能而言并不重要。由于所示實施例有意地為多模實施例，因而現(xiàn)有技術(shù)的第6,990,128號美國專利的各種單模限制均不適用于該裝置。
應(yīng)了解，上述每一元件及工藝步驟、或兩個或多個元件及工藝一起，也可有效地應(yīng)用于不同于上述類型的其它類型的結(jié)構(gòu)中。
盡管本文是以VCSEL裝置的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及制造此結(jié)構(gòu)的方法來例示及說明本發(fā)明，但并非旨在將本發(fā)明限定為所示的細節(jié)，因為也可對其實施各種修改及結(jié)構(gòu)改變，此決不會背離本發(fā)明的精神。
無需進一步分析，上文已全面披露了本發(fā)明的要旨，以使人們能夠應(yīng)用現(xiàn)有知識在不忽略根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)觀點合理構(gòu)成本發(fā)明的一般或具體方面的基本特征的前提下容易地將本發(fā)明修改用于各種應(yīng)用，且因此，這些修改應(yīng)該且打算包括在隨附權(quán)利要求書的等效意義及范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種面射型激光器，其包括一帶有頂面及底面的襯底；一位于所述襯底的所述頂面上的折射率交替變化的第一鏡面層堆疊；一設(shè)置于所述第一堆疊上的有源層；一設(shè)置于所述有源層上的折射率交替變化的第二鏡面層堆疊；及一位于所述第二堆疊中心的凹陷部分，其貫穿所述第二鏡面層堆疊中的至少某些鏡面層。
2.如權(quán)利要求1所述的激光器，其中所述凹陷部分是一圓柱形區(qū)域。
3.如權(quán)利要求2所述的激光器，其中所述凹陷部分包括一環(huán)形區(qū)域。
4.如權(quán)利要求2所述的激光器，其中所述激光器是一包括一用于電流限制的植入?yún)^(qū)域的增益導(dǎo)向植入型VCSEL。
5.如權(quán)利要求1所述的激光器，其中所述激光器是一折射率導(dǎo)向型VCSEL。
6.如權(quán)利要求4所述的激光器，其中所述激光器是一氧化物型VCSEL。
7.如權(quán)利要求5所述的激光器，其中所述激光器是一溝槽式VCSEL。
8.如權(quán)利要求5所述的激光器，其中所述激光器是一臺面式VCSEL。
9.如權(quán)利要求1所述的激光器，其進一步包括一在所述第一鏡面層堆疊與所述有源層之間的間隔層。
10.如權(quán)利要求1所述的激光器，其進一步包括一在所述第二鏡面層堆疊與所述有源層之間的間隔層。
11.一種具有縱向及橫向光學(xué)模的面射型激光器，其包括一帶有頂面及底面的襯底；一位于所述襯底的所述頂面上的折射率交替變化的第一鏡面層堆疊；一設(shè)置于所述第一堆疊上的有源層；一設(shè)置于所述有源層上的折射率交替變化的第二鏡面層堆疊；及一設(shè)置于所述第二堆疊上的發(fā)射孔徑，用于抑制由所述有源層發(fā)出的相干光的所述橫向光學(xué)模的構(gòu)件。
12.如權(quán)利要求11所述的激光器，其中所述激光器是一增益導(dǎo)向型VCSEL。
13.如權(quán)利要求11所述的激光器，其中所述激光器是一包括一用于電流限制的植入?yún)^(qū)域的植入型VCSEL。
14.如權(quán)利要求11所述的激光器，其中所述激光器是一折射率導(dǎo)向型VCSEL。
15.如權(quán)利要求14所述的激光器，其中所述激光器是一氧化物型VCSEL。
16.一種具有縱向及橫向光學(xué)模的面射型激光器，其包括一半導(dǎo)體襯底；一設(shè)置于所述襯底的頂面上的折射率交替變化的第一鏡面層堆疊；一設(shè)置于所述第一堆疊上的有源層；一設(shè)置于所述有源層上的折射率交替變化的第二鏡面層堆疊；一設(shè)置于所述第二堆疊上的發(fā)射孔徑；及一?？刂平Y(jié)構(gòu)，其經(jīng)成形以使所述激光器優(yōu)先以光功率集中于所述發(fā)射孔徑的周邊邊緣處的高階橫模發(fā)射光。
17.一種具有縱向及橫向光學(xué)模的面射型激光器，其包括一半導(dǎo)體襯底；一位于所述襯底的頂面上的折射率交替變化的第一鏡面層堆疊；一設(shè)置于所述第一堆疊上的有源層；一設(shè)置于所述有源層上的折射率交替變化的第二鏡面層堆疊；一設(shè)置于所述第二堆疊上的發(fā)射孔徑；一?？刂平Y(jié)構(gòu)，其經(jīng)成形以使所述激光器優(yōu)先以光功率在所述發(fā)射孔徑的中心部分中最小化的高階橫模發(fā)射光。
18.一種具有縱向及橫向光學(xué)模的面射型激光器，其包括一半導(dǎo)體襯底；一位于所述襯底的頂面上的折射率交替變化的第一鏡面層堆疊；一設(shè)置于所述第一堆疊上的有源層；一設(shè)置于所述有源層上的折射率交替變化的第二鏡面層堆疊；一設(shè)置于所述第二堆疊上的發(fā)射孔徑；及一?？刂平Y(jié)構(gòu)，其經(jīng)成形以使所述激光器優(yōu)先以高階橫模及最小化的光譜寬度發(fā)射光。
19.一種制作具有縱向及橫向光學(xué)模的面射型激光器的方法，其包括提供一半導(dǎo)體襯底；形成一位于所述襯底的頂面上的折射率交替變化的第一鏡面層堆疊；形成一設(shè)置于所述第一堆疊上的有源層；形成一設(shè)置于所述有源層上的折射率交替變化的第二鏡面層堆疊；同時形成一設(shè)置于所述第二堆疊上的發(fā)射孔徑及一經(jīng)成形以使所述激光器優(yōu)先以高階橫模和最小化光譜寬度發(fā)射光的?？刂平Y(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種面射型激光器，其具有一帶有頂面及底面的襯底；一位于所述襯底的所述頂面上的折射率交替變化的第一鏡面層堆疊；及位于所述第一堆疊上的有源層；一設(shè)置于所述有源層上的折射率交替變化的第二鏡面層堆疊；及一位于所述第二堆疊的中心的凹陷部分，其貫穿所述第二鏡面層堆疊中的至少某些鏡面層，以用于改良激光器的光譜寬度特性。
文檔編號H01S5/00GK101039015SQ20071000340
公開日2007年9月19日 申請日期2007年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月14日
發(fā)明者道格·柯林斯, 李念宜 申請人:昂科公司