CN101336381B

CN101336381B - 利用化合物半导体的选择性蚀刻制造微透镜和集成有微透镜的光电器件的方法

Info

Publication number: CN101336381B
Application number: CN2006800517261A
Authority: CN
Inventors: 张基洙; 李用卓; A·卡迈
Original assignee: Edith Cowan University; Kwangiu Science & Technology Inst
Current assignee: YTEL Photonics Co., Ltd.; Edith Cowan University
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2006-11-28
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2026-11-28
Also published as: KR20070055764A; WO2007061271A1; US20090068775A1; CN101336381A; US8021903B2

Abstract

提供了一种利用化合物半导体的选择性蚀刻制造微透镜的方法和制造具有微透镜的光电器件的方法。形成微透镜包括对化合物半导体层进行构图和去除化合物半导体层的侧表面以形成大致为半球形的透镜。通过数字合金方法去除化合物半导体层的侧表面。具体而言，通过湿法蚀刻工艺去除化合物半导体层的侧表面。

Description

利用化合物半导体的选择性蚀刻制造微透镜和集成有微透镜的光电器件的方法

技术领域

本发明涉及制造微透镜和利用微透镜的光电器件的方法，更具体而言，涉及利用化合物半导体的选择性蚀刻制造微透镜和具有微透镜的光电器件的方法。

背景技术

近年来，光学系统尺寸的减小导致了对具有光学器件的光电器件集成的强烈需求，从而增大了微透镜的必要性和适用性。可以在光源中集成微透镜，以便在光通信系统中高效地组合光纤和光源，从而可以降低整体封装成本。而且，由于可以在光检测器中集成微透镜以将光聚集到光检测器的有源层中，因此可以提高光检测器的效率。此外，可以在图像传感器的滤色片上形成微透镜，以提高图像传感器的光灵敏度。

微透镜在光互连系统中的必要性近来得到了关注，人们对垂直腔面发射激光器(VCSEL)兴趣很大，由于其具有很多结构优点，而被看作是用于平行光互连系统的理想光源。最重要的是，具有氧化物电流孔径的VCSEL由于其有源区小而具有很多优点，例如，阈值电流低、光电转换效率高和单模工作。

然而，由于从表面发射的激光束扩散很大，所以当将VCSEL应用于自由空间光互连系统时，信道之间的串扰可能会增大，并且光传输距离和光对准的容限受到限制。而且，在使用光波导作为光传输介质的芯片到芯片的光互连系统中，光源和光波导之间的组合效率受到激光束扩散的制约。因此，通过将微透镜集成到光电器件中，可以减少系统的封装成本。

图1到3为示出了利用光刻胶或诸如聚酰亚胺的聚合物的回流制造微透镜的常规工艺的截面图。

参考图1，制造微透镜的常规方法包括在半导体衬底2上沉积聚合物材料1，对聚合物材料1进行构图，如图2所示利用典型的光刻工艺形成聚合物材料1的圆柱形图案，以及通过加热所得到的结构使聚合物材料1回流。

在完成回流工艺时，基于聚合物材料1因表面张力而形成曲面的特性而制得如图3所示的微透镜。或者，可以将聚合物材料1干法蚀刻成透镜型以在衬底2上形成微透镜。

由于可以将光电器件应用于外部透镜与该光电器件未进行光学对准的系统，其中上述微透镜集成到所述光电器件中，因此可以降低系统的封装成本，并能够减小已封装系统的尺寸。

图4为集成有常规微透镜的VCSEL的截面图。

参考图4，VCSEL包括通过对聚合物材料进行回流或干法蚀刻而形成在衬底2上的微透镜201。使用微透镜201导致激光束11的发射角减小。而且，可以将微透镜201应用于没有额外的外部透镜的光通信系统或光互连系统。

上述VCSEL包括p型金属层3、上布拉格镜4、氧化铝层5、有源层6、下布拉格镜7和电流孔径8。

然而，上述方法难以制造高密度的微透镜阵列。具体而言，当透镜之间的距离较小时，在回流工艺期间相邻透镜彼此接触，从而不能获得所需的微透镜阵列。而且，由于只能在衬底2上制造微透镜201，所以需要对衬底2的底表面进行抛光以降低散射，并且应当在衬底2上涂布抗反射涂层(ARC)10，然后应当在其上形成微透镜201，以便消除法布里-珀罗谐振腔效应。此外，在光刻工艺中应当将光电器件200与微透镜201精确对准，这使得集成工艺变得复杂了。

发明内容

技术问题

本发明涉及一种微透镜和利用化合物半导体的选择性去除制造微透镜的方法。

本发明还涉及制造具有微透镜的光电器件的方法。

技术方案

本发明的一个方面提供了一种制造微透镜的方法。该方法包括：在衬底上形成具有反应性金属的化合物半导体层；蚀刻所述化合物半导体层，并形成化合物半导体层图案；以及部分去除所述化合物半导体层图案的侧表面，并形成透镜层，其中通过数字合金方法形成所述化合物半导体层，所述化合物半导体层包括含有所述反应性金属的反应层和由不含反应性金属的化合物半导体构成的半导体层，并且在所述化合物半导体层的上部位置所述反应性金属的浓度较高。

本发明的另一个方面提供了一种制造微透镜的方法。该方法包括：利用外延生长工艺，通过反复堆叠含有反应性金属的反应层和不含反应性金属的半导体层在衬底上形成化合物半导体层，所述反应层在所述化合物半导体层的上部位置较厚；在所述化合物半导体层上形成掩蔽层以保护所述化合物半导体层的顶表面；选择性蚀刻所述化合物半导体层和掩蔽层，并形成化合物半导体层图案和掩蔽层图案；通过蚀刻所述化合物半导体层图案的侧表面形成透镜层，其中以高蚀刻速率蚀刻所述化合物半导体层图案的上部，在该部分中所述反应性金属的含量高，而以低蚀刻速率蚀刻所述化合物半导体层图案的下部，在该部分中所述反应性金属的含量低；以及去除保留在所述透镜层上的所述掩蔽层图案，并暴露所述透镜层。

本发明的另一方面提供了一种由包括如下步骤的方法制造的微透镜：在衬底上形成具有反应性金属的化合物半导体层；蚀刻所述化合物半导体层，并形成化合物半导体层图案；以及部分蚀刻所述化合物半导体层图案的侧表面，并形成透镜层，其中通过数字合金方法形成所述化合物半导体层，并且所述化合物半导体层包括含有所述反应性金属的反应层和由不含反应性金属的化合物半导体构成的半导体层，且在所述化合物半导体层的上部位置所述反应性金属的浓度较高。

有益效果

如上所述，通过数字合金方法形成化合物半导体层，使得反应性金属的浓度随着高度而变化。而且，部分地去除具有反应性金属的化合物半导体层以形成圆形或椭圆形微透镜，所述反应性金属的浓度随着高度变化。在该工艺中，可以制造高密度透镜阵列。此外，由于微透镜是由化合物半导体形成的，因此可以在光电器件的衬底上以单片方式生长微透镜，并且能够促进光电器件特性的改善。此外，在制造集成有微透镜的光电器件时，微透镜的中心可以与光电器件的有源层自对准，从而无需典型的光刻工艺就可集成微透镜。因此，可以简化制造工艺，并可以降低光通信系统或光互连系统的封装成本。

附图说明

图1到3为示出利用光刻胶或诸如聚酰亚胺的聚合物材料的回流制造微透镜的常规工艺的截面图；

图4为集成有常规微透镜的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的截面图；

图5到8为示出根据本发明的示范性实施例的利用化合物半导体的选择性去除来制造微透镜的方法的截面图；

图9为示出根据本发明的示范性实施例的数字合金方法的截面图；以及

图10为通过根据本发明的示范性实施例的微透镜制造方法制造的VCSEL的截面图。

具体实施方式

在下文中，将详细描述本发明的示范性实施例。然而，本发明不限于下文披露的示范性实施例，而是可以实现为各种类型。因此，提供这些示范性实施例是为了完全公开本发明，并将本发明的范围完全传达给本领域的普通技术人员。

示范性实施例

图5到8为示出根据本发明的示范性实施例的利用化合物半导体的选择性蚀刻来制造微透镜的方法的截面图。

参考图5，在衬底100上形成化合物半导体层110。化合物半导体层110含有反应性金属。反应性金属可以是铝(Al)。而且，可以通过外延生长工艺形成化合物半导体层110。在生长工艺的每个阶段控制化合物半导体层110中的反应性金属的含量。换言之，在生长工艺期间，反应性金属的浓度随着时间而增大。

为了在生长工艺的每个阶段控制反应性金属的含量，可以使用数字合金方法。

图9为示出了根据本发明的示范性实施例的数字合金方法的截面图。

参考图9，化合物半导体层110的结构是通过反复堆叠含反应性金属的反应层114和不含反应性金属的半导体层112而获得的。而且，可以进行生长工艺，使得反应层114在堆叠结构的上部位置变得较厚。因此，垂直生长在衬底100上的化合物半导体层110在堆叠结构的上部位置具有较高的反应性金属含量。在该方法中，可以精确地控制化合物半导体层110中的反应性金属的浓度。当反应性金属为铝(Al)时，反应层114可以是AlGaAs、InGaAlAs或InGaAlN。而且，可以由从其中排除了反应性金属的化合物半导体层，例如GaAs、InGaAs或InGaN，来形成半导体层112。

再次参考图5，在所得的化合物半导体层110上形成掩蔽层120。可以由相对于下方的化合物半导体层110具有蚀刻选择性或氧化选择性的材料形成掩蔽层120。在随后部分蚀刻化合物半导体层110的工艺中，掩蔽层120允许从化合物半导体层110的侧表面开始部分蚀刻。换言之，掩蔽层120保护化合物半导体层110的上部，使得化合物半导体层110形成大致为圆形的形状。可以通过外延生长工艺或沉积工艺形成掩蔽层120。优选地，通过外延生长工艺形成掩蔽层120，可以随着化合物半导体层110就地进行该工艺。

参考图6，选择性地蚀刻所得的化合物半导体层110和掩蔽层120以形成化合物半导体层图案130和掩蔽层图案140。利用典型的光刻工艺执行掩蔽层图案140和化合物半导体层图案130的形成。具体而言，在掩蔽层120上涂布光刻胶，然后进行构图以形成光刻胶图案，利用光刻胶图案作为蚀刻掩模来对化合物半导体层110和掩蔽层120进行蚀刻。可以通过干法蚀刻工艺或湿法蚀刻工艺执行化合物半导体层110和掩蔽层120的蚀刻。例如，蚀刻工艺可以是各向异性干法蚀刻工艺。而且，可以蚀刻化合物半导体层110和掩蔽层120，直到暴露出衬底100的表面为止。在完成蚀刻工艺时，从掩蔽层图案140去除剩余的光刻胶图案。

参考图7，部分去除化合物半导体层图案130以形成透镜层150。可以通过氧化工艺或湿法蚀刻工艺进行化合物半导体层图案130的部分去除。

对于氧化工艺而言，在300℃或更高的温度下在O₂气氛中氧化具有化合物半导体层图案130的衬底100。可以通过向具有化合物半导体层图案130的衬底100供应水蒸气来形成O₂气氛。形成在化合物半导体层图案130中的反应层含有反应性金属。在氧化工艺期间氧化所含的反应性金属。

由于化合物半导体层图案130在上部位置具有较高的反应性金属含量，因此反应性金属的氧化从化合物半导体层图案130的侧表面开始，并在化合物半导体层图案130的上部位置变得更加强烈。之后，去除氧化物层，从而形成图7所示的透镜层150。

对于湿法蚀刻工艺而言，化合物半导体层图案130的蚀刻从其侧表面开始。当反应性金属为Al时，可以使用缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)作为蚀刻剂进行湿法蚀刻工艺。以高速率蚀刻化合物半导体层图案130的上部区域，在该区域中反应性金属的浓度大，而以低速率蚀刻化合物半导体层图案130的下部区域。结果，如图7所示，以大致为圆形或椭圆形的形状形成透镜层150。

参考图8，利用湿法蚀刻工艺或典型的清洗工艺去除掩蔽层图案140以暴露透镜层150。

图10为通过根据本发明的示范性实施例的制造微透镜的方法制造的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的截面图。

这里，图10仅示出了利用参考图5到9所述的制造微透镜的方法制造的示范性器件。因此，对于本领域的技术人员而言显而易见的是，根据本发明的方法不限于图10所示的VCSEL，而可以应用于其他领域。具体而言，可以将通过根据本发明的方法制造的微透镜用于各种光电器件，例如VCSEL、发光二极管、光检测器或图像传感器。

参考图10，在通过典型制造工艺获得的VCSEL 500上形成微透镜150。

像公知的VCSEL那样，VCSEL 500包括衬底2、p型金属层3、氧化铝层5、有源层6、下布拉格镜7、n型金属层9、p型欧姆接触层16和上布拉格镜102。

然而，形成在上布拉格镜102上的微透镜150与以上参考图5到9所述的微透镜相同。因此，图5到8所示的衬底100对应于图10所示的上布拉格镜102。

具体而言，在上布拉格镜102上形成化合物半导体层图案和掩蔽层图案，并部分地去除化合物半导体层图案以形成透镜层。

工业实用性

根据如上所述的本发明，可以通过部分去除化合物半导体来制造微透镜和利用该微透镜的光电器件。因此，可以制造高密度微透镜阵列，并且由于微透镜由化合物半导体形成，因此可以在光电器件的衬底上以单片方式生长微透镜，并且可以促进光电器件特性的改善。此外，在制造集成有微透镜的光电器件时，微透镜的中心可以与光电器件的有源层自对准，从而无需额外的光刻工艺就可集成微透镜。因此，可以简化制造工艺，并可以降低光通信系统或光互连系统的封装成本。

尽管已经参考了本发明的m个特定示范性实施例示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应该理解，在不背离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中做出各种形式和细节上的变化。

Claims

1.一种制造微透镜的方法，包括：

在衬底上形成具有反应性金属的化合物半导体层；

蚀刻所述化合物半导体层，并形成化合物半导体层图案；以及

部分去除所述化合物半导体层图案的侧表面，并形成透镜层，

其中通过数字合金方法形成所述化合物半导体层，所述化合物半导体层包括含有所述反应性金属的反应层和由不含反应性金属的化合物半导体构成的半导体层，并且在所述化合物半导体层的上部位置所述反应性金属的浓度较高。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过反复堆叠所述反应层和所述半导体层形成所述化合物半导体层，并且所述反应层在所述化合物半导体层的上部位置变得较厚。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述化合物半导体层由外延生长工艺形成。

4.根据权利要求1所述的方法，在形成所述化合物半导体层之后，还包括在所述化合物半导体层上形成掩蔽层，所述掩蔽层由相对于所述化合物半导体层具有蚀刻选择性的材料形成。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述掩蔽层由外延生长工艺形成。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括在形成所述透镜层之后去除保留在所述透镜层上的所述掩蔽层。

7.根据权利要求1所述的方法，其中通过湿法蚀刻工艺执行所述化合物半导体层图案的部分去除。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述反应性金属为铝(Al)。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述反应层由从AlGaAs、InGaAlAs和InGaAlN构成的组中选择的一种形成，并且所述半导体层由从GaAs、InGaAs和InGaN构成的组选择的一种形成。

10.根据权利要求9所述的方法，其中使用缓冲氧化物蚀刻剂作为蚀刻剂来执行所述湿法蚀刻工艺。

11.一种制造微透镜的方法，包括：

利用外延生长工艺，通过反复堆叠含有反应性金属的反应层和不含反应性金属的半导体层在衬底上形成化合物半导体层，所述反应层在所述化合物半导体层的上部位置较厚；

在所述化合物半导体层上形成掩蔽层以保护所述化合物半导体层的顶表面；

选择性蚀刻所述化合物半导体层和所述掩蔽层，并形成化合物半导体层图案和掩蔽层图案；

通过蚀刻所述化合物半导体层图案的侧表面形成透镜层，其中以高蚀刻速率蚀刻所述化合物半导体层图案的上部，在该部分中所述反应性金属的含量高，而以低蚀刻速率蚀刻所述化合物半导体层图案的下部，在该部分中所述反应性金属的含量低；以及

去除保留在所述透镜层上的所述掩蔽层图案，并暴露所述透镜层。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述反应性金属为铝(Al)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中通过使用缓冲氧化物蚀刻剂作为蚀刻剂的湿法蚀刻工艺执行所述化合物半导体层图案的所述侧表面的蚀刻。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述反应层由从AlGaAs、InGaAlAs和InGaAlN构成的组中选择的一种形成。

15.根据权利要求11所述的方法，其中通过在形成所述化合物半导体层期间就地执行外延生长工艺来形成所述掩蔽层。

16.一种通过包括如下步骤的方法制造的微透镜：

在衬底上形成具有反应性金属的化合物半导体层；

部分蚀刻所述化合物半导体层图案的侧表面，并形成透镜层，

其中通过数字合金方法形成所述化合物半导体层，并且所述化合物半导体层包括含有所述反应性金属的反应层和由不含反应性金属的化合物半导体构成的半导体层，且在所述化合物半导体层的上部位置所述反应性金属的浓度较高。

17.根据权利要求16所述的微透镜，其中所述反应性金属是铝(Al)，并且所述反应层由从AlGaAs、InGaAlAs和InGaAlN构成的组中选择的一种形成。

18.根据权利要求17所述的微透镜，其中所述透镜层通过使用缓冲氧化物蚀刻剂作为蚀刻剂的湿法蚀刻工艺形成。

19.根据权利要求16所述的微透镜，其中所述化合物半导体层由外延生长工艺形成。