CN103222137B - 紧凑芯片中的长半导体激光腔 - Google Patents
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Abstract
通过使用由蚀刻面形成的全内反射(TIR)表面，长半导体激光器腔体被放置在相对较短长度的芯片里。在一个实施例中，通过使用成三个45度角的TIR表面来连接界定激光腔的四段脊波导或掩埋异质结构(BH)波导，沿着矩形半导体芯片的周边边界形成激光腔。在其他实施例中，甚至使用更多TIR表面和波导段或节段，制造矩形或四边形螺旋结构形状的更长的激光腔。这些结构被限制在邻近波导部分的间隙中，如果其中间隙太小，会引起节段之间的不被期望的耦合。但是，使用邻近部分之间的蚀刻凹槽已被证明可减少这种耦合效应。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35USC119(e)，要求受益于2010年10月25号提交的美国临时申请No.61/406,529，其公开的内容全部被引入作为参考。
发明背景
1、本发明的领域
本发明涉及半导体二极管激光器，且更具体地涉及使用通过蚀刻面形成的全内反射表面以在紧凑芯片中安装长腔激光器。
2、相关技术描述
半导体激光器通常是在晶片上，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)形成具有平行于基底表面有源层的外延结构而在基板上生长合适的层叠半导体材料来制造的。然后用多种半导体加工工具处理晶片来生产激光光学腔，包括有源层和附在半导体材料上的金属触点。激光面通常形成在激光空腔端部，通过沿着其晶体结构切割半导体材料来界定激光光学腔的边缘或端部，以便在触点上施加偏置电压时，所产生的电流流过有源层，使光子在与电流流动相垂直的方向上从有源层腔面边缘发射出来。由于切割半导体材料以形成激光腔面，腔面的位置与方向受到限制；此外，一旦晶片被切割，通常是小片的，使得传统的光刻技术不能轻易的被用来进一步加工激光器。
前述和其他由使用切割腔面造成的难点，导致了通过蚀刻形成半导体激光腔面工艺的发展。这种在美国专利4,851,368描述的工艺，也允许激光器单片地与其他光子器件集成在同一基底上，其公开的内容在此引用以供参考。这项工作被进一步延伸，并且一种基于蚀刻腔面的脊激光器工艺被公开在1992年5月的IEEE量子电子学期刊，第28卷，第5期，第1227-1231页，其公开的内容在此引用以供参考。
通过以大于空腔内用于光传播临界角的角度利用蚀刻腔面，光学腔中全内反射(TIR)表面的构造还被公开在宽域激光器的美国专利4,851,368和用于脊型激光器的美国专利5,031,190，它们的公开内容结合到本发明中作为参考。
高功率半导体激光器对许多应用具有重要意义，如光学存储应用。由于半导体激光器功率需求的增加，制造商们已经简单地增加激光器芯片的空腔长度，如从美国专利申请2006/0274802的图1所示，其中芯片长度超过2000μm来满足双层DVD应用的400mW功率需要。其公开的内容被并入本文作为参考的美国专利申请2006/0274802指出：“高功率激光器被要求提高光学记录盘的写入速度，且因此，为了获得高功率，增加激光谐振器长度是绝对必要的。这种情况下，有一个问题：芯片尺寸的增加导致芯片成本的增加。”此专利申请还在脊形激光器二极管中间引入了锥形多模干扰(MMI)波导，允许芯片长度减少至1300μm用于300mW输出，导致芯片长度大约是用于标准脊形激光器(没有锥形MMI)的芯片长度的2/3。
使用全内反射(TIR)表面的前期工作包括以下内容：“RectangularandL-shapedGaAs-AlGaAslaserswithveryhighqualityetchedfacets”，AppliedPhysicsletters，第54卷，第493页，使用了45°TIR蚀刻面来展示宽域L型激光器；“Continous-waveoperationandmirrorlossofaU-shapedGaAs/AlGaAslaserdiodewithtwototallyrefectingmirrors”，AppliedPhysicsletters，第56卷，第1617页，描述了具有两个TIR蚀刻面的宽域激光器，使用了被切割的前后腔面；“CWoperationoffolded-cavitysemiconductorlaserswithetchedturningmirros”，ElectronicLetters，第28卷，第21页，描述了使用具有切割的后腔面的80和5μm脊宽的脊形激光器的折叠空腔；“PrecisedeterminationofturningmirrorlossusingGaAs/AlGaAslaserswithuptoten90°intracavityturningmirrors”，IEEEPhotonicsTechnologyLetters，第4卷，第24页，利用了具有切割的前后腔面的10μm脊宽的宽脊激光器。
市场不断要求对给定的晶片增加芯片数量用于各种高功率应用，如DVD和蓝光读/写系统。
发明内容
根据本发明，通过使用由蚀刻腔面形成的全内反射(TIR)表面，大半导体激光腔被放置在相对较短长度的芯片里。
在一个实施例中，通过使用三个45度角TIR表面以连接界定激光腔的脊形或掩埋异质结构(BH)波导的四段，沿着矩形半导体芯片的周边边界形成了激光腔。在其他实施例中，甚至使用更多的TIR腔面和波导段或节段以制造甚至更长的矩形或四边螺旋结构形状的激光腔。这些结构首先被限制在相邻波导区间隔中，如果其中间隙过小，可能导致波导区间不被期望的耦合。但是，使用相邻节段之间的蚀刻凹槽已经被证明可减少这种耦合效应。在螺旋结构空腔的第二个限制是，螺旋中心区域中开口区域的尺寸必须考虑最小接合焊盘直径或宽度(如50μm)。但是，如果结合焊盘放置在至少一部分激光腔上，就可以消除开口区域的需求。
附图简述
从本发明的下列详细描述结合以下被简要描述的附图，本领域技术人员可以清地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点。
图1是来自美国专利申请2006/0274802的图，说明了用于CD和DVD应用的脊型半导体激光器所需的空腔长度。
图2A至2D示出了被安装在芯片内的2000μm长蚀刻腔面脊型波导激光腔，全部为250μm宽，使用：(a)没有全内反射(TIR)腔面，导致芯片长度为2010μm；(b)四个TIR腔面，导致芯片长度为585μm；(c)八个TIR腔面，导致芯片长度为325μm；(d)12个TIR腔面，导致芯片长度为240μm。
图3示出了具有使用围绕在芯片的外围的45°入射角TIR腔面的激光腔的芯片，使得光线在每个TIR腔面反射后，经历90°角的改变。
图4A至4C示出了脊-脊(RR)间隔，空腔长度，和接合焊盘宽度或直径效果的实例，而芯片长度和宽度分别保持恒定于300μm和250μm，TIR腔面的数量保持恒定于8个，并且在后腔面存在恒定的50μm缝隙，图4D是组合图表，说明了RR间隔，空腔长度，接合焊盘宽度之间的关系。
图5A至5C示出了当RR间隔保持恒定于16μm，接合焊盘直径保持恒定于100μm，芯片宽度保持恒定于250μm，TIR腔面数量保持恒定于8个，且具有恒定的50μm后腔面缝隙时，芯片长度的效果。图5D是组合图表，说明了空腔长度与芯片长度之间的关系。
图6A和图6B是对分别具有0.40μm和0.50μm残余上包层厚度的脊型波导的Ex模型轮廓的图形化描述。图6C和图6D图形化地显示了间隔5μm的两个脊型波导之间的功率交换，其中图6C示出了0.40μm残余上包层厚度的结果，而图6D示出了0.50μm残余上包层厚度的结果。
图7A示出了本发明的实施例，其中在两个相邻脊型波导之间引入凹槽以减少相邻脊型波导间的光耦合。图7B图形化地示出了当使用了凹槽时相邻脊型波导间被减少的耦合。
图8示出了本发明的实施例，其中围绕芯片的外围使用45°安装角TIR腔面的第一激光腔与没有任何TIR腔面的第二激光腔一起使用。
图9示出了位于基底上的第一外延激光器结构，以及位于第一外延激光器结构上的第二外延激光器结构，例如，它可以在图8的实施例中被使用。
本发明的详细描述
现在转向本发明的更详细描述，图2A至2D示出了几个安装在激光器芯片上，全部250μm宽，2000μm长蚀刻腔面脊型激光腔的实施例。图2B至2D示出了实施例，其空腔长度明显长于芯片长度。如图2A所示，没有任何全内反射(TIR)腔面，芯片长度稍长于空腔长度，因为使用了蚀刻腔面并且在不破坏蚀刻腔面情况下，芯片不能在蚀刻腔面处被精确的单独分开(singulated)。图2B中的实例包含四个TIR腔面并导致芯片长度为585μm。图2C示出的实力具有八个TIR腔面，导致芯片长度为325μm，而图2D中的实例具有12个TIR腔面，导致芯片长度为240μm。通过使用更多的TIR腔面，明显减少了芯片的大小，允许从指定的晶片生产更多的芯片。通过使用始于芯片外围周边的矩形螺旋形空腔，最小数量的TIR腔面可以获得最大空腔长度。因为每个TIR腔面都与一些损耗相关，所以希望减少空腔内的TIR腔面。
图3示出了在芯片12上形成的激光器10，其中脊或掩埋异质结构(BH)波导的四个段14定义了激光腔16，并且这些段14放置在靠近使用三个TIR腔面18的激光器芯片12的外围周边。空腔16也包括蚀刻前腔面20和蚀刻后腔面22。优选地，TIR腔面18被放置在与段14呈45°，使得每个TIR腔面18的入射角都是45°，并且光线在TIR腔面18反射之后，在方向上经过90°的改变。优选地通过脊或掩埋异质结构(BH)波导与图3中由a指示的芯片12的一侧之间的距离界定激光腔16的横向位置。距离a是确保把晶片变成芯片的切割过程不会损伤波导的关键。脊形波导或BH波导的宽度如b所示。产生的空腔16是四边形结构，优选的呈矩形，尽管较小的TIR腔面角度变化可能导致空腔结构不具有一个真正的矩形形状。此外，间隙c是有意保留为在4个段的终点的后腔面22与第一段14的脊或BH之间的。这个间隙的理由是避免不希望的反射到达后腔面22，实例的a，b和c的值分别是20μm，2μm，和50μm。
在本发明中，优选地，脊形波导宽度的尺寸小于3μm以确保单横向模式操作。BH波导仅支持单横向模式。
图4A至4C示出当芯片长度和宽度分别保持恒定于300μm和250μm，TIR腔面的数量保持恒定于8个，并存在恒定的间隙50μm(参数c)时，相邻脊形波导(尽管只在此讨论相邻脊形波导，可以理解的是也可以使用相邻的BH波导)、空腔长度和接合焊盘宽度之间的距离的效果的实例。图4A所示的实例具有脊-脊(RR)间距为10μm，这导致空腔长度为1920μm，接合焊盘宽度为130μm。图4B所示的实例的RR间距为20μm，这导致空腔长度为1720μm，接合焊盘宽度为80μm。最后，图4C所示的实例的RR间距为30μm，这导致空腔长度为1520μm，接合焊盘间距为30μm。前述RR间距、空腔长度和接合焊盘宽度之间的关系在图4D的图和表中示出。
图5A至5C示出当相邻脊形波导间的距离保持恒定于16μm，接合焊盘直径保持恒定于100μm，芯片宽度保持恒定于250μm，TIR腔面的数量保持恒定于8个，存在恒定间隙50μm(参数c)时，不同长度空腔对芯片长度影响的三个实例。图5A中，芯片长度为200μm，空腔长度1300μm；图5B中，芯片长度为300μm，空腔长度为1800μm；且图5C中，芯片长度为400μm，空腔长度为2300μm。前述空腔长度和芯片长度之间的关系在图5D中的表格和图中示出。
实践中，使用目前的导线接合器粘合直径小于50μm的接合焊盘变得非常困难。接合焊盘可被放置在至少一部分激光腔上，且消除了放置接合焊盘的空间。
相比美国专利申请2006/0274802中的现有技术，其中芯片长度只能减少33％，我们可以看到，根据本发明所述方式使用TIR，显著减少芯片长度是可能的，例如减少83％。这允许在给定的晶片上制造明显更多的芯片，从而大幅减少成本。
图3示出没有相邻脊形波导或相邻BH波导存在的情况，而图2B示出了相邻脊形波导存在于矩形螺旋形腔面中，并且他们之间的距离成为需考虑的因素的情况。
图6A至6D示出了808纳米激光器导致两个相邻脊间耦合情况的横向波束分布的重要性。图6A和6B描述的模式分布分别针对0.40μm和0.50μm残余上包层厚度。脊外部的剩余上包层的厚度被称为残余上包层厚度。在这些图中，两种轮廓模式都是4个轮廓，为0.1，0.2，0.3和0.4的电场幅度Ex。Ex的峰值被归一化为1。最内侧轮廓是0.4，最外侧轮廓是0.1。当脊被间隔开20μm或更多时，基本上0.40μm残余上包层厚度的脊之间没有耦合，而0.50μm残余上包层厚度的脊之间只有非常少量耦合。但是，如图6C和6D中的图形所示，其示出了当RR间距是5μm时，两个近距离脊之间的功率交换，在脊之间出现了大量耦合，特别是在具有0.50μm残余上包层厚度的脊之间(图6D)。
为了解决前述紧密间隔的相邻脊的耦合问题，可以使用图7A所示技术。例如，图7A示出了激光器结构50的局部剖视图，其根据图4A至4C和图5A至5C示出的本发明实施例进行配置。激光器结构50包括至少第一和第二相邻脊波导52和54，它们彼此隔开的间距为距离RR。为了减少两个脊波导52和54之间的耦合，在脊波导52和54之间的激光器基底58中形成凹槽56。凹槽56有预定的蚀刻深度和宽度。图7B所示图形与显示了没有凹槽的相同结构的结果的图6D的图形对比，两个相邻脊之间的耦合影响被显著降低了。
应当理解，本发明可应用于不同材料系统的激光器结构。下面描述了三个这种结构的例子，所有这些已表明考虑蚀刻腔面。
制造具有n-Inp包层、n-AIGalnAsSCH(分离限制异质结构)层、AIGalnAs应变多量子阱有源层、p-AIGalnAsSCH层、p-lnP包层和高掺杂p-InGaAs接触层的晶片，依次形成于n-型(100)Inp基底。包括5个6nm压缩应变的AIGalnAs量子阱的活性区域，其被10nm拉伸应力AIGalnAs阻挡层分开；量子阱的带隙约为1300nm。
制造依次形成在GaAs基层上的具有2.0μmn-Al0.4Ga0.6As下包层；0.1μmAl0.25Ga0.75As至Al0.4Ga0.6As下渐变区的晶片；包含单个7.5nm厚GaAs量子阱的有源区；0.1μmAl0.4Ga0.6As至Al0.25Ga0.75As上渐变区；2.0μm厚p-Al0.4Ga0.6As上包层；以及高度p-掺杂GaAs帽层的晶片。激光发射波长为830nm左右。
制造具有n-掺杂AlGaN的下覆盖区、具有量子阱和InAlGaN(AI和或In可在此合成物中为零)阻挡的有源区、p-掺杂AlGaN的上包层和高度p-掺杂GaN和/或GaInN帽层的晶片。光子结构的上和下覆盖区域具有的折射率低于有源层的折射率。而提供GaN和/或GaInN帽层以允许欧姆接触。尽管该示例基于在GaN基底上提供蓝色激光器装置，但应当理解，这些装置可形成用于发射其他波长，如绿色和放置在其他基底如蓝宝石，SiCorAlN上。如美国专利7,408,183所描述的，其公开的内容在此引入作为参考，InAlGaN的结构可具有低缺陷密度区和高缺陷密度区。本发明的空腔可仅位于低缺陷密度区。
本发明也可应用于具有前输出腔面和/或后腔面的激光器，其至基底被蚀刻成90±1°以使激光器是边缘-发射或至基底45±1°以允许激光的发射垂直于基底的表面。这种结构的描述在美国专利7,245,645中提供，并且美国专利申请12/725,894的公开内容在此引入作为参考。前腔面和后腔面都是蚀刻腔面，并可使用介电层改变反射率，如美国专利7,245,645所述。
图8示出了激光器结构100，是类似图3的包括第一激光腔104的第一激光器102和包含直的第二激光腔108的第二激光器106组合，两者都在芯片110上。例如，第一激光器102形成于第一外延沉积结构，形成具有非常长的空腔104的激光器。而第二激光器106形成于第二外延沉积结构，形成具有与芯片110长度大致相同的空腔长度的激光器。第一激光腔104的前腔面112和后腔面114被分别蚀刻，各自如同第二激光腔108的前腔面116和后腔面118一样。如果需要更长的长度，第二激光器106可包括TIR腔面。使用这样的芯片的例子是在双波长操作中，其中第一激光器是DVD激光器而第二激光器是CD激光器。
图9示出当第一外延激光器结构200被沉积在基底202上并且第二外延激光器结构204被沉积在第一激光外延结构200上的情况。这种方式的外延沉积比蚀刻掉晶片上某些部分以允许第二外延结构更加便宜，因为两种外延激光器结构是一个接一个地被沉积的。
图8的第一和第二激光器102和104的各自的前腔面112和116使用图9的外延结构和45±1°的蚀刻腔面。第二外延结构从第一激光器102移除以允许触点被施加在其结构上。例如，该芯片包含用于双波长操作的廉价的双空腔表面发射激光器，诸如在650nm的DVD和在780nm的CD，或蓝色和绿色发射激光器。
虽然本发明已经示出了优选的实施方案，但应当理解，可在不脱离本发明真实精神和如下述权利要求给出的范围的情况下作出变化和修改。
Claims (20)
1.一种半导体芯片，包括：
具有限定了所述芯片的长度的长度的基底；
在所述基底上的第一外延激光器结构；
由波导在所述第一外延激光器结构中形成的第一激光腔；所述波导选自包括脊波导和掩埋异质结构(BH)波导的组；
所述腔具有大于所述芯片长度的长度；且
所述腔具有被蚀刻的前输出腔面和被蚀刻的后腔面，
其中，所述腔包括至少第一部分，其是由所述波导的第一、第二、第三、第四段形成的矩形形状，其中所述后腔面形成于所述第四段的终端处，并且间隙被形成在所述后腔面和形成所述第一段的波导的一部分之间。
2.如权利要求1所述的半导体芯片，其中所述波导与芯片边沿间隔预定的距离。
3.如权利要求1所述的半导体芯片，其中所述腔包括多个段，并且所述被蚀刻的后腔面位于距离所述波导的不同的段中的波导的预定距离处，而且该不同的段不是在后腔面的端部的段。
4.如权利要求1所述的半导体芯片，其中选择所述腔的长度以允许接合焊盘的直径在预定值之上。
5.如权利要求3所述的半导体芯片，其中所述预定距离超过50μm。
6.如权利要求1所述的半导体芯片，其中所述被蚀刻的前输出腔面相对于所述基底呈45±1°角。
7.如权利要求1所述的半导体芯片，其中所述被蚀刻的前输出腔面相对于所述基底呈90±1°角。
8.如权利要求1所述的半导体芯片，其中所述腔包括一个或多个全内反射(TIR)蚀刻腔面，每一个全内反射蚀刻腔面与所述波导的所述段的角度为45°。
9.如权利要求8所述的半导体芯片，其中所述腔包含至少4个全内反射蚀刻腔面；所述波导包括至少五个段，其中至少两个段为彼此相邻；并且所述波导的相邻段间的距离超过预定值。
10.如权利要求1所述的半导体芯片，其中所述第一外延激光器结构是InAlGaN，该InAlGaN包括高缺陷密度区和低缺陷密度区，并且其中所述腔被包含在所述低缺陷密度区之内。
11.如权利要求1所述的半导体芯片，其中所述前输出腔面和所述后腔面通过每个腔面处的介电层的沉积而具有反射率改变。
12.如权利要求1所述的半导体芯片，进一步包括形成于第二外延激光器结构中的第二激光腔，所述第二外延激光器具有前蚀刻腔面和后蚀刻腔面。
13.如权利要求12所述的半导体芯片，其中所述第二外延激光器结构被沉积在所述第一外延激光器结构之上。
14.如权利要求13所述的半导体芯片，其中所述第二外延激光器结构的材料被从所述第一外延激光器结构的一部分中移除。
15.如权利要求14所述的半导体芯片，其中所述第一外延激光器的所述前输出腔面被蚀刻成相对所述基底呈45±1°，并且所述第二外延激光器的所述前蚀刻腔面被蚀刻成相对所述基底呈45±1°。
16.如权利要求1所述的半导体芯片，其中所述第一激光腔波导包括至少第一部分，其是由第一、第二、第三、第四段形成的矩形形状，其中所述后腔面形成于所述第四段的终端处，并且间隙被形成在所述后腔面和形成所述第一段的波导的一部分之间，以避免不希望的反射到达所述后腔面。
17.如权利要求9所述的半导体芯片，进一步包括在所述波导的相邻段之间形成的具有预定宽度和深度的蚀刻凹槽，以减少所述相邻段之间的耦合。
18.如权利要求12所述的半导体芯片，其中所述第二激光腔包括至少一个全内反射腔面。
19.如权利要求1所述的半导体芯片，其中所述第一激光腔具有四边形螺旋形状。
20.如权利要求19所述的半导体芯片，其中所述第一激光腔具有矩形螺旋形状。
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