CN107546573A - 具有集成散射体的顶发射vcsel阵列 - Google Patents

具有集成散射体的顶发射vcsel阵列 Download PDF

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Abstract

本发明题为“具有集成散射体的顶发射vcsel阵列”。本发明公开了一种辐射源，其包括半导体基板、形成在基板上的被配置为发出光学辐射的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列，以及形成在VCSEL的阵列之上的透明结晶层。透明结晶层具有被配置为对由VCSEL发出的辐射进行散射的外表面。

Description

具有集成散射体的顶发射vcsel阵列
技术领域
本发明整体涉及半导体器件，并且具体地涉及光电器件及其制造。
背景技术
相比于LED(发光二极管)，高功率VCSEL阵列(垂直腔面发射激光器阵列)是照明应用的优秀候选项：VCSEL的谱宽比LED的谱宽窄(1-2nm与数十nm)，并且VCSEL的效率比LED的效率高(30％与10％)。在一些应用中，对由VCSEL发出的光进行散射是有利的。
发明内容
下文描述的本发明的实施方案提供了改进的VCSEL阵列。
因此，根据本发明的实施方案，提供了一种辐射源，其包括半导体基板、形成在基板上的被配置为发出光学辐射的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列，以及结晶层，该结晶层例如为形成在VCSEL的阵列之上并且具有被配置为对由VCSEL发出的辐射进行散射的外表面的透明层。
在所公开的实施方案中，辐射源的透明结晶层的外表面被图案化以限定具有不同的相应光焦度的微透镜。除此之外或另选地，微透镜以不规则图案排列在VCSEL之上。
在另一个实施方案中，辐射源的透明结晶层的外表面被随机地粗糙化。
在一些实施方案中，透明结晶层包括半导体材料的外延层。在一个此类实施方案中，辐射源包括通过透明结晶层电连接到VCSEL的阳极接触部。
另选地，透明结晶层包括绝缘材料。
根据本发明的一个实施方案，还提供了一种用于制造辐射源的方法。该方法包括在半导体基板上形成垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列，在VCSEL阵列之上形成结晶层，以及蚀刻透明外延层的外表面以便创建对由VCSEL发出的光学辐射进行散射的表面结构。
在所公开的实施方案中，蚀刻该外表面包括形成具有不同的相应光焦度的微透镜。除此之外或另选地，微透镜以不规则图案排列在VCSEL之上。
在一些实施方案中，形成微透镜包括在透明结晶层之上沉积光致抗蚀剂层，以光刻法图案化光致抗蚀剂层以便限定微透镜的前体，烘烤经图案化的光致抗蚀剂层以便致使前体回流成圆形形状，通过蚀刻使圆形形状转移到透明结晶层中以便形成微透镜，以及去除残留的光致抗蚀剂。
在其它实施方案中，蚀刻该外表面包括随机地粗糙化外表面。
根据本发明的实施方案，还提供了一种辐射源，其包括半导体基板和形成在该基板上的被配置为发出光学辐射的一个或多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)。可包括结晶材料或无定形材料的散射层在每个VCSEL之上形成，被配置为对由VCSEL发出的辐射进行散射。VCSEL的阳极电极形成在散射层之上。
结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更完全地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1为根据本发明的实施方案的具有集成散射体的VCSEL阵列的示意图；
图2A-图2D为根据本发明的实施方案在连续制造阶段中具有集成散射体的VCSEL阵列的示意性剖面图。
图3A-图3B为根据本发明的另一实施方案在连续制造阶段中具有集成散射体的VCSEL阵列的示意性剖面图。
具体实施方式
在本领域中已知的VCSEL阵列通常包括利用标准外延技术构建在GaAs或其他半导体基板上的几个到数百个单独VCSEL的位置。VCSEL阵列的光束角发散度通常为10-25°，其由各个VCSEL的光束发散度来确定。在VCSEL阵列的若干应用中，使光束角发散度增大超过阵列本身所提供值是有利的。
本文所述本发明的实施方案提供了具成本效益的用于增大光束角发散度的方法，以及实施此类方法的VCSEL的阵列。该方法基于通过VCSEL阵列本身的制造工艺的直接扩展来将散射体集成到VCSEL阵列的顶表面上。下文描述了两个具体的实施方案。尽管以下描述涉及VCSEL阵列，但所公开实施方案的原理加以必要更改也适用于各个VCSEL。
第一实施方案包括利用液相或气相沉积在透明结晶层中形成沉积在VCSEL阵列之上的微透镜的阵列。结晶层在VCSEL阵列的激射波长处的吸收率不超过20％，在这种意义上来讲，该层是“透明的”。透明结晶层可为外延层或多晶层。作为整个VCSEL制造工艺的一部分，外延层生长在VCSEL外延层之上。在一些实施方案中，该外延层与VCSEL外延层中的一者，例如，生长在基于GaAs的VCSEL之上的GaAs或AlGaAs层匹配(即，与之相同或非常类似)。由于晶格匹配，因此使由该附加层施加于VCSEL外延层上的应力最小化，并且这些材料的高折射率在散射特性方面是有利的。对所添加外延层的材料和/或掺杂度进行选择以在VCSEL的发射波长处具有足够透射率。
对于非外延沉积，可在整个VCSEL制造工艺完成之后将绝缘材料沉积在VCSEL阵列之上。绝缘材料在比半导体材料广的光谱范围之上通常为透明的，并且允许更灵活的加工顺序。这些材料包括例如某些聚合物和电介质，诸如二氧化硅或氮化硅。由于折射率较低，因此可使用更具挑战性的表面轮廓以实现与利用外延层相同的散射效应，并且电介质层也可引起对VCSEL外延层的更高应力。针对较长波长，诸如1550nm，可使用多晶硅(poly-Si)。
在任一种情况下，将各个微透镜的物理形状(例如，高度和/或曲率)和位置设计成对各个发射器的光束进行散射。通过增大各个发射器总的光束发散度和/或改变光束的方向，作为共同结果，微透镜的阵列产生输出光束，该输出光束具有角度相同的发射并且具有比VCSEL的本地发散度大得多的发散度。如下文将详述的，微透镜阵列利用光刻法来制造。
第二实施方案包括在VCSEL阵列之上沉积透明结晶层(如第一实施方案中所描述的)，并随后利用干式蚀刻或湿式蚀刻工艺对该层的表面进行蚀刻。蚀刻产生随机粗糙顶表面，该顶表面使由阵列中各个VCSEL发出的光束中的每个光束发生散射，重新产生具有比VCSEL的本地发散度大得多的发散度的均匀光束。
图1为根据本发明的实施方案的形成于VCSEL外延层24中的具有集成微透镜阵列21的VCSEL阵列20的示意图。VCSEL阵列20包括单独的VCSEL 22(示出两个)。利用外延方法基于在本领域中已知的VCSEL设计和制造方法(未示出VCSEL外延层24的细节)来制造VCSEL阵列20。每个VCSEL 22电连接到相应的阳极接触部26以及公共阴极接触部28或单独的阴极接触部(未示出)。
集成微透镜阵列21已被配置为使VCSEL 22发出的光束(未示出)散射成散射辐射图案38。在微透镜阵列21外延地由诸如GaAs或AlGaAs之类材料形成的情况下，对VCSEL 22光谱的阵列的透射率的需要限制了层的掺杂，从而可能降低电导率。在这种情况下，阳极26到VCSEL外延层24的电气连通性可通过在形成阳极26之前局部注入或通过在微透镜阵列21中开窗而加固。在微透镜阵列21由绝缘材料形成的情况下，在将绝缘材料沉积在VCSEL 22之上之前，阳极26已形成在VCSEL外延层24之上。
在本发明的在另一个实施方案中，透明结晶层的随机粗糙顶表面(未示出)用于散射来自VCSEL 22的光束。在使用上述微透镜阵列21的实施方案中的情况下，对于阳极26到VCSEL外延层24的连通性的相同考虑因素是有效的。
图2A-图2D为根据本发明的实施方案的VCSEL外延层24的顶部上集成的散射微透镜阵列的连续制造阶段的示意图。
图2A为示出相继沉积在VCSEL外延层24之上的透明结晶层40和未图案化光致抗蚀剂层42的示意图。透明结晶层40为平面层，其将在加工期间被图案化到微透镜阵列。在透明结晶层40由绝缘材料形成的情况下，在沉积透明结晶层40之前将在VCSEL外延层24之上形成阳极26(阳极26图2A-2D中未示出)。
图2B为示出利用光刻技术将未图案化的光致抗蚀剂层42(图2A)图案化到经图案化的光致抗蚀剂层44中的结果的示意图。这种图案化形成微透镜的将随后在加工中被蚀刻的前体45。前体的图案是不规则的并且可与VCSEL阵列中VCSEL 22的图案对准或不对准。前体的尺寸还可为不均一的，使得所得的微透镜将具有不同的相应光焦度。图案化还为形成邻近VCSEL 22的发射区域的阳极26(例如，用于围绕发射区域的环形阳极)的位置做好准备。透明结晶层40仍保持在图案化的光致抗蚀剂层44之下不变。这种图案化和阳极在散射层之上的定位对于其他类型的散射体(诸如由无定形材料形成的散射层)以及单个VCSEL和VCSEL阵列也是有用的。
图2C为在将经烘烤前体45(图2B)回流成圆形形状47之后的光致抗蚀剂轮廓46的示意图。光致抗蚀剂可为具有回流能力的正性或负性光致抗蚀剂。典型的回流烘烤温度在100到250℃之间并且典型的持续时间从数秒到数十分钟。在这一阶段，透明结晶层40仍为平面的。
图2D为通过由诸如等离子体蚀刻之类适当蚀刻法来蚀刻光致抗蚀剂轮廓46进而使圆形形状47转移到透明结晶层40(图2C)中而形成的微透镜阵列21的示意图。在蚀刻之后残留的任何残余光致抗蚀剂已被去除。由于图2B中所施加图案，微透镜阵列21中的单个微透镜49以不规则图案排列在每个VCSEL 22的顶部上。微透镜49的不规则图案可为随机图案或非随机图案，其被配置为以随机或非随机方式改变由每个VCSEL 22发出的光束的方向并增大它们的发散角，以便均匀填充散射辐射图案38(图1)。除此之外或另选地，微透镜具有不同的相应光焦度。
在微透镜阵列21已如上所述形成在外延半导体层中之后，在微透镜阵列上、在图2B的上下文中描述的所述图案化阶段中做好准备的位置处形成阳极接触部26，并且整个VCSEL制造工艺被完成，形成VCSEL阵列20(图1)。在微透镜阵列21形成于绝缘材料的另选情况下，透明结晶层40的沉积和微透镜阵列21的形成发生在完成VCSEL制造工艺(除了后续的晶圆薄化和背部阴极沉积)之后。如前所述(图1)，微透镜阵列21中的开口被图案化并蚀刻以获得与阳极26的接触，该阳极已在该工艺中埋于透明结晶层40之下。
图3A-图3B为根据本发明的另一实施方案在VCSEL外延层24的顶部上的随机粗糙散射表面的连续制造阶段的示意图。
图3A为示出沉积在VCSEL外延层24之上的透明结晶层50的示意图。透明结晶层50为平面层，其在下一阶段将变成散射体。由于所公开实施方案的工艺要求，该透明结晶层可与图2A的透明结晶层40具有不同材料特性。在图3B所示的工艺步骤中的创建非均匀蚀刻中，由于材料成分或晶粒结构，具有局部不均匀因素的材料是有利的。
图3B为示出了通过蚀刻工艺由透明结晶层50(图3A)形成的散射体层52的示意图。已对透明结晶层50的材料以及蚀刻(其可为干式蚀刻或湿式蚀刻)的工艺参数进行选择，以便赋予散射体层52随机粗糙顶表面54。通过蚀刻剂自身或通过透明层50的材料非均匀性，或者该两个特性的组合而产生顶表面54的随机粗糙度。(在使用诸如湿式蚀刻等均匀蚀刻工艺的情况下，顶表面54的随机粗糙度通常是透明结晶层的非均匀性所致。)随机粗糙化对由各个VCSEL 22发出的光束的影响在于使每个光束散射成较大发散角以及随机地改变光束方向，从而制造散射辐射图案38(图1)。
类似于使用微透镜阵列21的实施方案，在散射体层52由绝缘材料形成的情况下，在沉积透明结晶层50之前，阳极26将形成在VCSEL外延层24上，并且将在散射体层52中开窗以获得与阳极26(未示出)的接触。
应当理解，上文所描述的实施方案以实施例的方式引用，并且本发明不限于上文已特别示出或描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组合和子组合。

Claims (20)

1.一种辐射源，包括：
半导体基板；
形成在所述基板上的被配置为发出光学辐射的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列；和
结晶层，所述结晶层形成在VCSEL的所述阵列之上并且具有被配置为对由所述VCSEL发出的所述辐射进行散射的外表面。
2.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述结晶层为透明的。
3.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述结晶层的所述外表面被图案化以限定具有不同的相应光焦度的微透镜。
4.根据权利要求3所述的辐射源，其中所述微透镜以不规则图案排列在所述VCSEL之上。
5.根据权利要求1所述的辐射源，其中所述结晶层的所述外表面被随机地粗糙化。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的辐射源，其中所述结晶层包括半导体材料的外延层。
7.根据权利要求6所述的辐射源，其中VCSEL的所述阵列包括形成在所述基板上的多个外延层，并且其中所述半导体材料的所述外延层与所述VCSEL的所述外延层中的一个外延层匹配。
8.根据权利要求6所述的辐射源，并且包括通过所述结晶层电连接到所述VCSEL的阳极接触部。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的辐射源，其中所述结晶层包括绝缘材料。
10.一种制造辐射源的方法，所述方法包括：
在半导体基板上形成垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列；
在所述VCSEL阵列之上形成结晶层；以及
蚀刻所述结晶层的外表面以创建对由所述VCSEL发出的光辐射进行散射的表面结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中蚀刻所述外表面包括形成具有不同的相应光焦度的微透镜。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述微透镜以不规则图案排列在所述VCSEL之上。
13.根据权利要求11所述的方法，其中形成微透镜包括：
在所述结晶层之上形成光致抗蚀剂层；
以光刻法图案化所述光致抗蚀剂层以便限定微透镜的前体；
烘烤经图案化的光致抗蚀剂层以便致使所述前体回流成圆形形状；
通过蚀刻使所述圆形形状转移到所述结晶层中以便在所述透明结晶层形成所述微透镜；以及
去除经蚀刻的结晶层上残留的所述光致抗蚀剂。
14.根据权利要求10所述的方法，其中蚀刻所述外表面包括通过蚀刻来随机地粗糙化所述外表面。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其中所述结晶层包括半导体材料的外延层。
16.根据权利要求15所述的方法，并且包括在所述结晶层之上形成用于所述VCSEL的阳极接触部。
17.根据权利要求10-14中任一项所述的方法，其中所述结晶层包括绝缘材料。
18.一种辐射源，包括：
半导体基板；
形成在所述基板上的被配置为发出光学辐射的一个或多个垂直腔面发射激光器(VCSEL)；
形成在每个VCSEL之上的散射层，所述散射层被配置为对由所述VCSEL发出的所述辐射进行散射；和
形成在所述散射层之上的所述VCSEL的阳极电极。
19.根据权利要求18所述的辐射源，其中所述散射层包括结晶材料。
20.根据权利要求18所述的辐射源，其中所述散射层包括无定形材料。
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