CN101189768B - 空间滤光片 - Google Patents
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Abstract
一种经蚀刻的端面单横向模式半导体光子器件，它是通过在经蚀刻的端面上沉积防反射涂层并以空间上受控制的方式沉积反射率修改涂层以修改所发射的光束的空间性能而制造的。
Description
技术领域
本申请要求2005年6月1日提交的临时申请第60/685,883号的权益，这里结合其揭示作为参考。本发明一般涉及光子器件，尤其涉及用于制造光子器件的改进的激光装置和方法。
背景技术
在获得低成本的单横向模式半导体激光器中的一个余留问题是控制横向光束在激光腔中的传播以致在电流和温度的较宽范围上只允许单横向模式操作。成功地解决这个问题的一类激光器是掩埋式异质结构激光器，这个成功是以需要在初始制定模式之后再生长半导体材料为代价的。脊型状激光器(ridgelaser)已经排除了对于这种再生长的需求，然而，在仍允许单横向模式性能的同时，对于可以蚀刻的脊型的宽度和深度上有一些限制。
通常通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)在衬底上生长合适的分层式半导体材料以形成与衬底表面平行的活性层来制造半导体激光器，或固态激光器。然后用多种半导体处理工具来处理材料以制造结合活性层和结合附加到半导体材料上的金属接触的半导体腔。一般通过劈开半导体材料以确定激光光学腔的边缘或末端而在激光腔的末端处形成激光器镜子端面以致当在接触上施加偏置电压时，通过活性层产生的电流导致在与电流垂直的方向上从活性层的刻面边缘发射出光子。由于把晶片劈开成条状以形成激光端面，所以不能使用传统的光刻法技术来进一步加工激光器。
美国专利4,851,368中克服了在半导体工艺由于需要劈开激光器端面而遇到的问题，该专利揭示了一种工艺，该工艺用于通过蚀刻来形成半导体激光器的镜子端面，允许激光器与其它光子器件统一地集成在同一衬底上。这个工作进一步演化，并且在“Monolithic AlGaAs-GaAs Single Quantum-Well RidgeLasers Fabricated with Dry-Etched Facets and Ridges”(IEEE Journal ofQuantum Electronics，28卷，第5期，1227-1231页，1992年5月)中揭示了基于经蚀刻的端面制造脊型激光器工艺的过程。描述了高可靠性经蚀刻的端面光子器件的、题为“High Reliability Etched-Facet Photonic Devices”(代理记录BIN-20)的、2006年2月17日提交的、Alex.A.Behfar的美国专利申请第11/356,203号中进一步改进了这些工艺。
然而，对制造诸如激光器之类的光子器件工艺有需求，该工艺无需半导体材料再生长，同时除了脊型的蚀刻深度和宽度之外提供激光输出的空间横向控制，这种激光器是极需要的。
发明内容
根据本发明，提供了用于制造经蚀刻的端面半导体光子器件的改进的工艺和方法，其中，首先对器件端面之一进行防反射涂敷(AR)，然后以空间上受控的方式施加反射率修改涂层，以便允许制造单横向模式激光器。在本发明一个较佳方面，反射率修改涂层是用作空间滤光片的多层涂层，从而允许端面的特定区域控制激光器的横向模式的空间性能。空间滤光片的位置、大小和形状确定激光束的形状。
附图说明
从下述较佳实施例的详细说明连同附图，本发明的上述的和/或另外的目的、特征和优点对于熟悉本领域的技术人员将变得显而易见，其中：
图1是根据本发明较佳模式的、结合防反射涂层以提供用于控制激光器的横向模式的空间滤光片的、半导体经蚀刻的端面激光器的概略透视图；
图2(a和b)到8(a和b)概略地示出用于制造图1的经蚀刻的端面激光器的制造步骤。图2(a)到图8(a)是在图1的箭头A-A方向看到的截面图，而图2(b)到图8(b)是在图1的箭头B-B方向看到的截面图；
图9是在应用空间滤光片之前和之后光输出对激光器电流特性的曲线图示；以及
图10和11是本发明第二实施例的概略侧视图和顶视图，示出具有空间滤光片的表面发射激光器。
具体实施方式
本发明克服了半导体激光器中控制空间光束性能的问题，其中图1中示出具有根据本发明的空间滤光片12的脊型激光器10。使用现在要参考的、在图2(a和b)到图8(a和b)中概略地示出的制造工艺，在衬底或芯片14上制造该激光器。虽然本发明从诸如图1所示的脊型激光器方面来描述本发明，但是要理解，可以结合这里描述的空间滤光片来制造其它类型的激光器。
如传统那样，例如，可以用经适当地掺杂的III-V型化合物或其合金来形成衬底14。通过诸如金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)之类的已知外延沉积工艺在该衬底的上表面上沉积用于形成诸如光波导18之类的光子器件的一连串的层，所述光波导18包括活性区域20，如图1和图2(a)和2(b)所示。图2(a)到8(a)的左边是沿图1的线A-A取得的波导的横截面图，而图2(b)到8(b)的右边是从图1的箭头B-B方向看到的沿线B-B取得的波导的横截面图。
在本发明的一个实施例中，例如，半导体光子器件18可以是在InP衬底14上用外延法形成的激光器。光子器件结构一般包含上和下包层区域22和24，它们是由诸如InP之类的、所具有的折射率低于活性区域20的折射率的半导体材料形成的。这些包层区域与活性区域相邻，所述活性区域可以用基于AlInGaAs的量子阱和壁垒(barrier)来形成，设计成当向激光器施加能量时发射波长为1310nm的光。提供InGaAs顶部遮盖层(未示出)以允许欧姆接触。虽然这里给出的例子是基于InP衬底上的单元件激光器件，但是可以理解，可以制造具有活性区域的其它光子器件，并且可以在诸如GaAs和GaN等其它衬底上形成这些器件。
通过如图2(a和b)所示的等离子体增强的化学气相沉积法(PECVD)在用外延法生长的激光器结构18上沉积200nm厚的SiO2层30。例如，执行定义光刻胶层中的激光器体和端面的第一光刻法步骤(未示出)，并且把光刻胶图案转移到下面的SiO2层30，按已知的方式，使用反应离子蚀刻(RIE)以形成SiO2图案。在通过氧气等离子体除去光刻胶之后，把SiO2图案转移到光子器件结构18上，使用化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)以形成图2(a)和2(b)所示的激光器体32和端面34和36。
如图3(a)和3(b)所示，执行第二光刻胶光刻法以产生定义衬底上一个或多个脊的图案，并且使用RIE把光刻胶图案转移到PECVD SiO2层。在用氧气等离子体除去光刻胶之后，在激光器结构中使用CAIBE来形成脊，诸如脊40。在一个例子中，脊的宽度是3.2μm。
在形成图3(a)和3(b)所示的脊之后，使用PECVD沉积120nm厚的SiO2的钝化层42，以覆盖包括光子器件的整个衬底。这在图4(a)和4(b)中以单个脊40示出。
执行在光子结构上定义p-接触开口的第三光刻法，并且使用RIE来打开SiO2层中的接触孔44。然后使用氧气等离子体来除去光刻胶，如图5(a)和5(b)所示。
然后执行用于p-接触镀金属法的光刻法，并且使用电子束蒸发器来蒸发p-接触金属50。在卸除所镀金属中不需要的部分之后，定义用于器件的p-接触，如图6(a)和6(b)所示。
还使用电子束蒸发在衬底的背面54上蒸发用于激光器的n-接触52。可以理解，可以对在衬底上制造的每个光子器件提供相应的接触。还可以理解，可以使用与定义p-接触所使用的相似步骤在衬底的顶部表面上沉积n-接触。
如图7(a)和7(b)所示，通过卸除图案的光刻法、Al2O3的蒸发以及卸除，在端面中之一上，例如，端面34上，沉积120nm厚的Al2O3层60。所述层60本质上是形成在激光器端面34上的、反射率小于4％的防反射(AR)层。激光器发射额定波长为1310nm的激光。
使用用于定义卸除图案的光刻法，材料的蒸发和卸除，形成空间滤光片，或反射器12，如图8(a)和8(b)所示。滤光片12可以结合多层，在一个例子中，它包括三层，如下：
| 层数 | 材料 | 1310nm处的折射率 | 厚度 |
| 1 | Si | 3.4 | 96.3nm |
| 2 | SiO<sub>2</sub> | 1.45 | 226.0nm |
| 3 | Si | 3.4 | 96.3nm |
为附图中所示的单个激光元件而形成的空间滤光片12的反射率要比它所沉积其上的表面60的反射率高，以致从空间滤光片反射的光的百分比要大于从其余表面反射的光的百分比。这允许由空间滤光片12的二维(高度和宽度)形状确定的单个元件激光器的有优势的激光发射。在沉积空间滤光片之前，端面34表面上AR涂层60的使用允许端面具有较小的反射率，并且这使二维空间滤光片12的反射率和端面的其余AR涂层表面的反射率之间产生较大的差异。反射率的差异导致空间滤光片的较大影响。
虽然单个元件激光器需要高反射率空间滤光片以使稳定的空间模式性能成为可能，但是其它光子器件也可能从低反射率空间滤光片、二维有图案的空间滤光片或二维有不连续图案的空间滤光片得益。虽然描述了在激光器两个端面中的一个端面上应用AR涂层和空间滤光片，但是在某些情况中，为了更强的空间光束形状控制，要求在两个端面上都有AR涂层和空间滤光片。在GaN紫-蓝发射激光器的情况中，使用适合于这些波长的材料以修改反射率，不管是AR或高反射率空间滤光片。
虽然在上述工艺中，在AR膜和空间滤光片沉积之前蒸发激光器的n-接触52，但是也可以在这些执行步骤之后进行蒸发。在说描述的例子中，在AR层和空间滤光片之前蒸发n-接触的原因在于允许之前和之后的所给定激光器的分析。
通常，如果激光器工作在单横向模式中，则光对电流(L-I)特性示出没有任何弯折的一个恒定的斜率。然而，如果激光器允许一个以上的横向模式，则如图9的曲线中下面的曲线70所示，L-I特性会有弯折。对于该具有3.2μm的脊宽度的激光器，空间滤光片12的宽度是2.2μm，并且它产生更为线性的曲线72。图9中L-I曲线离开直线的偏差表示这是由超过单横向模式的一个模式发动的。如所述，引入空间滤光片允许只能在6mW以下的单横向模式中工作的激光器能够在高达12mW的单横向模式中工作。
在2004年10月5日提交的、美国专利申请10/958,069(代理记录BIN 15)以及2004年10月14日提交的10/963,739(代理记录BIN 19)中描述了在图10和11中示出的水平腔表面-发射激光器(HCSEL)，这里结合其揭示作为参考。用有角度的端面82来形成HCSEL，该端面具有约45度的角度，使活性区域84中产生的激光在与制造激光器的衬底的平面垂直的方向上向上(或向下)反射。可以使代替平表面的有透镜的表面位于45度经蚀刻的端面之上，以补偿发散性。
在覆盖HCSEL的顶部表面的AR涂层88上沉积空间滤光片86，以致修改和操纵了输出光束90的空间性能。图10示出HCSEL 80的横截面图，该HCSEL 80具有AR涂层88，随后是反射率约为85％的空间滤光片86。图11示出同一激光器的顶视图，其中首先施加AR涂层88，接着施加空间滤光片90，它影响从HCSEL形成的光束形状。
虽然已经通过各个较佳实施例示出了本发明，但是可以理解，可以作出变动和修改而不偏离由下述权利要求书阐明的本发明的真实精神和范围。
Claims (17)
1.一种光子器件，包括：
衬底；
包括活性层的外延半导体结构；
在所述结构中制造的经蚀刻的端面；
在所述结构中制造的脊波导；以及
沉积在所述经蚀刻的端面上的空间滤光片，所述空间滤光片的宽度小于所述脊波导的宽度，且选择所述空间滤光片以增加允许所述光子器件中的单横向模式的最大电流。
2.如权利要求1所述的光子器件，其特征在于，所述空间滤光片包括多层材料。
3.如权利要求1所述的光子器件，其特征在于，还包括在所述端面和所述空间滤光片之间的所述端面上的AR涂层。
4.如权利要求3所述的光子器件，其特征在于，所述AR涂层包括在所述端面上的电介质涂层，以及其中所述空间滤光片包括在所述AR涂层上的多层沉积材料。
5.如权利要求4所述的光子器件，其特征在于，还包括电接触，所述电接触用于把电流提供给所述半导体结构，以使光在所述结构中传播且至少部分地从所述端面发出。
6.如权利要求5所述的光子器件，其特征在于，所述空间滤光片位于所述端面上，以允许所述发出的光具有单横向模式形状。
7.如权利要求4所述的光子器件，其特征在于，所述空间滤光片是反射率修改涂层。
8.如权利要求7所述的光子器件，其特征在于，所述空间滤光片被定形为所述涂层上的矩形以修改从所述光子器件发出的光使其具有单横向模式形状。
9.如权利要求1所述的光子器件，其特征在于，在所述结构中形成第二经蚀刻的端面，并在所述第二经蚀刻的端面上沉积第二空间滤光片。
10.一种用于制造能够发射光束的单横向模式半导体光子器件的方法，包括：
在衬底上沉积外延结构；
在所述结构中形成经蚀刻的端面；
在所述结构中形成脊波导；
在所述光子器件的所述经蚀刻的端面上沉积防反射涂层；以及
以空间上受到控制的方式在所述防反射涂层上沉积反射率修改涂层，以修改所述光子器件发射的光束的空间性能，所述空间滤光片的宽度小于所述脊波导的宽度，且选择所述空间滤光片以增加允许所述光子器件中的单横向模式的最大电流。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在空间上控制所述反射率修改涂层包括用光刻法控制所述涂层在所述防反射涂层上的沉积。
12.如权利要求10所述的光子器件，其特征在于，在所述结构中形成第二经蚀刻的端面，并在所述第二经蚀刻的端面上沉积第二空间滤光片。
13.一种光子器件，包括：
衬底；
包括活性层的外延半导体结构；
在所述结构中制造的脊波导；
以垂直于所述衬底以外的角度在所述结构中制造的经蚀刻的端面，导致所述脊波导中的光传递在所述经蚀刻的端面的全内反射和在所述经蚀刻的端面上的弹跳(impinging)；以及
在平行于所述衬底且在所述经蚀刻的端面上的一平面上沉积的空间滤光片，所述空间滤光片的宽度小于所述脊波导的宽度，且选择所述空间滤光片以增加允许所述光子器件中的单横向模式的最大电流。
14.如权利要求13所述的光子器件，其特征在于，所述空间滤光片包括多层材料。
15.如权利要求13所述的光子器件，其特征在于，还包括在所述平面和所述空间滤光片之间的所述平面上的AR涂层。
16.如权利要求13所述的光子器件，其特征在于，所述平面是透镜的表面。
17.如权利要求13所述的光子器件，其特征在于，在所述结构中形成第二经蚀刻的端面，并在所述第二经蚀刻的端面上沉积第二空间滤光片。
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