CN107579428A - 具有光束形状修改的激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及具有光束形状修改的激光器。提供一种用于半导体激光器的光束控制结构，其允许光束形状修改，从而允许例如更高的耦合到光纤中。所述结构可以包含倾斜天井、阶梯、反射顶板和反射侧壁中的一个或多个。

Description

具有光束形状修改的激光器
本申请是申请日为2013年5月7日、申请号为201380024259.3、发明名称为“具有光束形状修改的激光器”的中国专利申请的分案申请。
相关申请案
本专利申请要求2012年5月8日提交的美国临时专利申请号61/644,270的优先权，所述申请以引用的方式整体并入本文。
技术领域
本公开一般涉及光子器件，更具体来说涉及改进的光子器件和其制造方法。
背景技术
通常通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)在衬底上生长适当的层状半导体材料以形成具有平行于衬底表面的有源层的外延结构而在晶片上制造半导体激光器。然后利用多种半导体处理工具处理晶片以制造包括有源层并且包括附着到半导体材料的金属触点的激光器光腔。通常通过沿半导体材料的晶体结构解理半导体材料以限定激光器光腔的边缘或末端而在激光器腔的末端形成激光器腔面，使得当在触点上施加偏压时，所产生的流过有源层的电流使光子在垂直于电流的方向上从有源层的腔面边缘出射。由于解理半导体材料以形成激光器腔面，故腔面的位置和定向是有限的；此外，一旦晶片被解理，晶片通常就成为小块，以致不容易用常规的光刻技术来进一步处理激光器。
由使用解理腔面造成的上述和其他困难引致通过蚀刻形成半导体激光器的腔面的工艺的开发。在美国专利号4,851,368中描述的此工艺也允许激光器与其他光子器件单片集成在同一衬底上，所述专利的公开内容以引用的方式并入本文。这项工作被进一步扩展，并且基于蚀刻腔面的突脊激光器的工艺在1992年5月的IEEE量子电子学期刊(IEEEJournal of Quantum Electronics)的第28卷，第5号，1227-1231页中所公开。
使用半导体激光器的一个主要挑战是激光器的输出光束与光束定向或耦合到的介质之间的不匹配。例如，形成具有光斑大小转换器(SSC)的半导体激光器可以允许激光与光纤的更有效的耦合或扩大光学对准公差，然而，一般来说有随同形成SSC出现的某些缺点，例如，工艺的复杂性和激光器特性的降级。激光器特性的降级的实例为激光器阈值电流的增加。以下出版物讨论所使用的各种SSC方法：Itaya等人在IEEE量子电子学选题期刊(IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics)的第3卷，第3号，968-974页中的“Spot-Size Converter Integrated Laser Diodes(SS-LD’s)”；Moerman等人在IEEE量子电子学选题期刊的第3卷，第6号，1308-1320页中的“A Review on FabricationTechnologies for the Monolithic Integration of Tapers with III–VSemiconductor Devices”；以及Yamazaki等人在IEEE量子电子学选题期刊的第3卷，第6号，1392-1398页中的“1.3-μm Spot-Size-Converter Integrated Laser Diodes Fabricatedby Narrow-Stripe Selective MOVPE”。
通过简单工艺形成的激光器结构允许光束修改而不显著影响激光器特性(例如，激光器阈值)，这种结构是非常理想的，并且例如可以引致以低成本封装将激光束非常有效的耦合到光纤中。
发明内容
根据本公开，形成一种半导体激光器，其允许输出光束的修改。
在本公开的一个实施方案中，使用蚀刻腔面激光器修改激光器的垂直远场，所述激光器具有具倾斜角的天井或在输出腔面前面的阶梯。在本公开的另一实施方案中，除具有倾斜角的天井或阶梯之外，使用侧壁来修改激光器的水平远场。在又一实施方案中，提供顶板来修改激光器的垂直远场。在又一实施方案中，解理或蚀刻腔面激光器有源侧朝下安装在衬底或基座上，例如，具有例如倾斜天井或阶梯的结构的硅或氮化铝(AlN)。
例如，在本公开的一个实施方案中，公开一种半导体芯片，其包含：衬底；位于所述衬底上的外延激光器；蚀刻腔面；以及邻近所述蚀刻腔面的结构，所述结构为天井，所述天井具有向下倾斜和具有至少一个台阶的向下阶梯中的一个。半导体芯片也可以包含反射侧壁。半导体芯片可以进一步包含在所述蚀刻腔面前面的顶板，其中所述顶板具有比所述蚀刻腔面的最低点更接近所述蚀刻腔面的最高点的下反射表面。半导体芯片可以另外包含沉积在所述结构上的反射涂层。半导体芯片还可以进一步包含选自包含InP、GaAs和GaN的组的所述衬底。
在本公开的另一实施方案中，公开一种半导体芯片，其包含：衬底；位于所述衬底上的外延激光器；蚀刻腔面；以及在所述蚀刻腔面前面的顶板，其中所述顶板具有比所述蚀刻腔面的最低点更接近所述蚀刻腔面的最高点的下反射表面。半导体芯片也可以包含反射侧壁。半导体芯片可以进一步包含选自包含InP、GaAs和GaN的组的所述衬底。
在本公开的又一实施方案中，公开一种半导体芯片，其包含：衬底；位于所述衬底上的外延激光器；具有与衬底的平面成非90°角度的蚀刻腔面；照射在所述蚀刻腔面上的低于所述蚀刻腔面的临界角的激光束；以及邻近所述蚀刻腔面的反射结构。半导体芯片也可以包含为倾斜天井的所述结构。半导体芯片可以进一步包含反射侧壁，其中所述侧壁可以与所述蚀刻腔面通过间隙分离。半导体芯片可以另外包含为含有至少一个台阶的阶梯的所述结构。半导体芯片还可以进一步包含选自包含InP、GaAs和GaN的组的所述衬底。
在本公开的又一实施方案中，公开一种混合动力总成，其包含：基座，所述基座具有天井的反射表面，所述天井具有向下倾斜和具有至少一个台阶的向下阶梯中的一个；以及激光器，其具有有源层和有源侧朝下定位在所述基座上的至少一个腔面；其中所述至少一个腔面被定位成邻近所述反射表面。混合动力总成也可以包含为AlN或Si的所述基座。混合动力总成可以进一步包含为蚀刻腔面的所述至少一个腔面，进一步包含邻近所述蚀刻腔面的反射结构。混合动力总成可以另外包含由外延沉积在衬底上的激光器结构形成的所述激光器，所述衬底选自包含InP、GaAs和GaN的组。混合动力总成还可以进一步包含所述基座，其进一步包括挡块。
附图说明
通过结合简述如下的附图进行的本公开的以下详细描述，本公开的上述以及额外的目的、特征和优点对于本领域技术人员将变得明显。
图1(a)为具有通过解理形成的前腔面和后腔面的半导体激光器的横截面，并且图1(b)为通过RSoft时域有限差分(FDTD)模拟从前腔面或后腔面获得的相应垂直远场(VFF)。
图2(a)为具有通过蚀刻形成的前腔面和后腔面的半导体激光器的横截面，其中2μm平坦天井邻近前腔面，并且图2(b)含有通过RSoft FDTD模拟获得的以实线所示的这个结构的相应VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。
图3(a)为具有通过蚀刻形成的前腔面和后腔面的半导体激光器的横截面，其中10μm平坦天井邻近前腔面，并且图3(b)含有通过RSoft FDTD模拟获得的以实线所示的这个结构的相应VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。
图4(a)为具有通过蚀刻形成的前腔面和后腔面的半导体激光器的横截面，其中长度10μm的10°倾斜天井邻近前腔面，并且图4(b)含有通过RSoft FDTD模拟获得的以实线所示的这个结构的相应VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。
图5(a)为具有通过蚀刻形成的前腔面和后腔面的半导体激光器的横截面，阶梯邻近前腔面，其中阶梯中的每个台阶具有0.6μm高度和2.5μm宽度，并且图5(b)含有通过RSoftFDTD模拟获得的以实线所示的这个结构的相应VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。
图6(a)为具有通过蚀刻形成的前腔面和后腔面的半导体激光器的横截面，阶梯邻近前腔面，其中阶梯中的每个台阶具有0.6μm高度和2.5μm宽度，并且1μm厚的“顶板”位于在面向阶梯的顶板侧反射到激光的阶梯上方，其具有3.75μm长度，被定位成在横截面中，顶板的左下角在第一台阶的边缘上方4.75μm，并且图6(b)含有通过RSoft FDTD模拟获得的以实线所示的这个结构的相应VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。
图7示出突脊激光器前腔面的透视图，阶梯邻近前腔面，所述前腔面用于垂直地控制光束。
图8(a)为半导体激光器的顶视图，其中反射角度的侧壁放置在前腔面前面；图8(b)示出离开前腔面并且由反射侧壁修改的光的光强度的RSoft FDTD模拟；以及图8(c)以实线示出由反射侧壁修改的水平远场(HFF)，同时以供参考的虚线示出对应于没有任何反射侧壁的激光器的HFF。
图9(a)为半导体激光器的顶视图，其中反射平行侧壁放置在前腔面前面；图9(b)示出离开前腔面并且由反射侧壁修改的光的光强度的RSoft FDTD模拟；以及图9(c)以实线示出由反射侧壁修改的HFF，同时以供参考的虚线示出对应于没有任何反射侧壁的激光器的HFF。
图10示出突脊激光器前腔面的透视图，其中底部的阶梯和三个台阶邻近前腔面，第一台阶和第二台阶是平的，而第三台阶是平的然后倾斜到衬底，所述前腔面用于如图5(a)中垂直地控制光束，但也包括类似于图8中的用于水平地控制光束的侧壁。
图11示出具有阶梯和顶板的突脊激光器前腔面的透视图，所述前腔面用于如图6(a)中垂直地控制光束，但也包括类似于图8中的用于水平地控制光束的侧壁。
图12(a)为半导体激光器的横截面，其中前蚀刻腔面从垂直线到衬底的平面成角度A，并且后蚀刻腔面在或接近垂直于衬底，10μm平坦天井邻近前腔面，并且图12(b)含有通过RSoft FDTD模拟获得的以实线所示的这个结构的相应VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。
图13(a)为半导体激光器的横截面，其中前蚀刻腔面从垂直线到衬底的平面成角度B，并且后蚀刻腔面在或接近垂直于衬底，10μm平坦天井邻近前腔面，并且图13(b)含有通过RSoft FDTD模拟获得的以实线所示的这个结构的相应VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。
图14(a)为半导体激光器的横截面，其中前蚀刻腔面从垂直线到衬底的平面成角度A，并且后蚀刻腔面在或接近垂直于衬底，阶梯邻近前腔面，其中阶梯中的每个台阶具有0.6μm高度和2.5μm宽度，并且图14(b)含有通过RSoft FDTD模拟获得的以实线所示的这个结构的相应VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。
图15示出有源侧朝下安装在硅基座上的解理腔面激光器的横截面图，硅基座含有阶梯，并且激光器被定位成腔面邻近硅阶梯。
图16(a)为具有通过蚀刻形成的前腔面和后腔面的半导体激光器的横截面，其中阶梯邻近前腔面，硅基座含有阶梯，并且激光器有源侧朝下安装在硅基座上并被定位成前腔面也邻近硅阶梯，并且图16(b)含有通过RSoft FDTD模拟获得的以实线所示的这个结构的相应VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。
图17(a)为半导体激光器的顶视图，其中反射弯曲侧壁放置在前腔面前面；图17(b)示出离开前腔面并且由反射侧壁修改的光的光强度的RSoft FDTD模拟；以及图17(c)以实线示出由反射侧壁修改的HFF，同时以供参考的虚线示出对应于没有任何反射侧壁的激光器的HFF。
具体实施方式
图1(a)示出通过解理前腔面130和后腔面110形成的半导体激光器100。激光器结构包含具有外延沉积层的衬底120，外延沉积层允许形成下熔覆层140、0.34μm厚度的有源区180，以及1.83μm的上熔覆层160，下熔覆层140可以延伸到衬底中或如图1(a)中所示被完全外延沉积并且具有1.83μm厚度。激光器在约1310nm下发出激光。图1(b)示出通过RSoft时域有限差分(FDTD)模拟从图1(a)中的结构的前腔面或后腔面获得的垂直远场(VFF)。
图2(a)示出通过在或接近垂直于衬底120的平面蚀刻前腔面230和后腔面210形成的半导体激光器200的横截面，衬底120的平面通常是蚀刻腔面与衬底的平面的法线多达3°的偏差。形成蚀刻腔面激光器的工艺的实例描述在美国专利申请11/356203或美国专利8,130,806中，这两个专利转让给本申请的受让人并且所述专利的公开内容以引用的方式整体并入本文。通常，通过蚀刻穿过上熔覆层、有源区和下熔覆层的至少部分形成蚀刻腔面。在270单分激光器芯片以使得邻近前腔面230的天井250为2μm宽(2μm为前腔面与单分平面270之间的水平距离)。图2(b)示出通过RSoft FDTD模拟从前腔面获得的以实线所示的VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。在两个VFF曲线之间仅存在很小的差异。
图3(a)示出通过蚀刻前腔面230和后腔面210形成的半导体激光器300的横截面。在370单分激光器芯片以使得邻近前腔面230的天井350为10μm宽。图3(b)示出通过RSoftFDTD模拟从前腔面获得的以实线所示的VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。在两个VFF曲线之间存在相当大的差异。以实线所示的VFF示出其主瓣380的半最大值全宽(FWHM)比虚线显著变窄。此外，以实线所示的VFF示出从中心约10°的显著程度的光束指向，以及旁瓣382的存在。例如，狭窄的FWHM对于允许与光纤的高耦合效率非常有用。然而，光束指向造成困难以及与封装激光器并耦合到光纤的最传统的方法不兼容。
图4(a)示出通过蚀刻前腔面230和后腔面210形成的半导体激光器400的横截面。在470单分激光器芯片以使得邻近前腔面230的天井450为10μm宽，但天井450也以10°向下倾斜到衬底120。图4(b)示出通过RSoft FDTD模拟从前腔面获得的以实线所示的VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。以实线所示的VFF示出其主瓣480的FWHM比虚线显著变窄。然而，不同于在图3(b)中，以实线所示的VFF的主瓣480居中并且不显示任何显著的光束指向。例如，VFF中的主瓣的狭窄的FWHM以及缺乏波束指向对于允许与光纤的高耦合效率以及用于耦合到光纤的半导体激光器芯片的传统封装非常有用。一般来说，旁瓣482的功率不耦合到光纤中，例如，与主瓣一样有效，因此需要最小化旁瓣并且最大化主瓣，以便例如最高效率的耦合到光纤。
图5(a)示出通过蚀刻前腔面230和后腔面210形成的半导体激光器500的横截面。在570单分激光器芯片以使得邻近前腔面的阶梯为10μm宽。阶梯具有底部505和三个平坦台阶510、520和530，并且阶梯向下走向衬底。台阶510的表面在蚀刻前腔面230低于有源区和下熔覆层的至少部分，台阶520的表面低于510，并且台阶530的表面低于520。每个台阶具有2.5μm宽度和0.6μm高度。底部505可以低于台阶510的表面，然而，底部505可以只是略高于台阶510，只要底部505不以任何显著方式干扰光束。图5(b)示出通过RSoft FDTD模拟从前腔面获得的以实线所示的VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。以实线所示的VFF示出其主瓣580的FWHM比虚线显著变窄。如同在图5(b)中，以实线所示的VFF的主瓣580居中并且不显示任何显著的光束指向。甚至阶梯中的单个台阶也显示对消除光束指向有显著影响。旁瓣582的强度比482减小。
图6(a)示出通过蚀刻前腔面230和后腔面210形成的半导体激光器600的横截面。在670单分激光器芯片以使得邻近前腔面的阶梯为10μm宽。阶梯具有底部605和三个平坦台阶610、620和630，并且阶梯向下走向衬底。台阶610的表面在蚀刻前腔面230低于有源区和下熔覆层的至少部分，台阶620的表面低于610，并且台阶630的表面低于620。每个台阶具有2.5μm宽度和0.6μm高度。另外，1μm厚的顶板640位于在面向阶梯的顶板侧反射到激光的阶梯上方，其具有3.75μm长度，被定位成在横截面中，顶板的左下角在阶梯中的第一台阶的边缘上方4.75μm。图6(b)示出通过RSoft FDTD模拟从前腔面获得的以实线所示的VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。以实线所示的VFF示出其主瓣680的FWHM比虚线显著变窄。如同在图4(b)和图5(b)中，以实线所示的VFF的主瓣680居中并且不显示任何显著的光束指向。然而，更多的功率集中在主瓣680中并且旁瓣682比482和582进一步降低，尽管存在另一个小旁瓣684。
图7示出突脊激光器700的透视图，其中前腔面230邻近两个台阶的阶梯和底部。底部705描绘成第一表面，其平面为前蚀刻腔面230的最低点。第一台阶710和第二台阶720都具有平整表面。存在向下倾斜到衬底的倾斜表面730。在740单分芯片。尽管描绘突脊790激光器，但是将理解可以利用本文所述的特征来制造其他类型的激光器。例如，激光器结构也可以是掩埋异质结构(BH)激光器。例如，这种类型的激光器可以是法布里珀罗(FP)激光器或分布反馈(DFB)激光器。底部705可以具有低于台阶710的表面的表面，然而，底部705可以只是略高于台阶710，只要底部705不以任何显著方式干扰光束。如果如图7中所述制造具有光滑的反射表面的底部，那么底部可以被用作阶梯中的第一台阶。
在进行的实验中，制造两种类型的突脊激光器。类型1是图2(a)中所示的种类，并且类型2如图5(a)中所示具有阶梯中的三个台阶。如在固态突脊激光器的制造中是常规的那样，衬底可以由例如一种III-V族化合物，或可以适合地掺杂的其合金形成。衬底包括顶表面，通过外延沉积，例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)在顶表面上沉积相继的层。激光器结构为1310nm发光外延结构，其在InP衬底上具有以下层：n-InP下熔覆层；AlGaInAs下部递变区域；含有压缩应变AlGaInAs量子阱的有源区，每个量子阱夹在张应变AlGaInAs屏障之间；AlGaInAs上部递变区域；p-InP上熔覆层；以及高p型掺杂InGaAs覆盖层。晶片级测试确定类型1和类型2激光器的突脊激光器电子特性(例如阈值电流)很相似。类型1和类型2激光器被封装在TO-56容器中，其具有折射率1.496的1.5mm透镜而没有AR涂层。封装的激光器在最优位置耦合到光纤，并且确定光纤中的斜率效率(SE)(光纤中耦合的激光功率的量除以高于施加到激光器二极管的阈值的电流的量)。类型1的光纤中的平均SE为0.0737W/A，而类型2的光纤中的平均SE为0.0970W/A，由于邻近前腔面的阶梯超过31％而引起耦合效率增加。
图8(a)示出具有2μm宽的突脊790的半导体激光器800的顶视图。当在前腔面前面没有特征时，如图1(a)或图2(a)会出现这种情况，这个激光器具有通过RSoft FDTD模拟获得的图8(c)中以虚线所示的水平远场(HFF)。将反射侧壁810和820以2μm的间隙840放置在前蚀刻腔面230前面，以允许激光器与反射侧壁之间的电绝缘。侧壁结构具有13μm的长度860。反射表面810与前蚀刻腔面的平面成75°的角度830。反射表面820与前蚀刻腔面的平面成75°的角度835。两个反射侧壁之间的间隙850在其到前蚀刻腔面的最近点为6μm。图8(b)示出突脊激光器和反射侧壁的RSoft FDTD模拟。图8(c)示出反射侧壁对以实线所示的HFF的影响，并且HFF在没有反射侧壁的激光器上显著变窄。半导体激光器的更窄的HFF具有许多应用，包括更好地耦合到光纤中。
图9(a)示出具有2μm宽的突脊790的半导体激光器900的顶视图。当在前腔面前面没有特征时，如图1(a)或图2(a)会出现这种情况，这个激光器具有通过RSoft FDTD模拟获得的图9(c)中以虚线所示的水平远场(HFF)。将反射侧壁910和920以2μm的间隙940放置在前蚀刻腔面前面，以允许激光器与反射侧壁之间的电绝缘。侧壁结构具有13μm的长度960，并且反射表面910与前蚀刻腔面的平面成90°的角度930。反射表面920平行于910。两个反射侧壁之间的间隙950为6μm。图9(b)示出突脊激光器和反射侧壁的RSoft FDTD模拟。图9(c)示出反射侧壁对以实线所示的HFF的影响，并且由于侧壁而形成两个区的波瓣。将激光束分成两个或更多个波瓣具有许多应用，例如分别向两个或更多个波导提供光。
图10示出突脊激光器1000的前腔面230的透视图，其中两个台阶的阶梯和底部邻近前腔面230。第一平整表面为由前蚀刻腔面230的最低点限定的底部1005。第一台阶1010和第二台阶1020具有平整表面。倾斜表面1030向下倾斜到衬底，并且在1040单分芯片。结构包括反射侧壁810和820。阶梯结构允许前蚀刻腔面的更多激光功率仍沿着从突脊延伸并平行于突脊790的线，因此反射侧壁810和820的影响比例如图3(a)中的结构可能出现的情况更明显。底部1005可以具有低于台阶1010的表面的表面，然而，底部1005可以只是略高于台阶1010，只要底部1005不以任何显著方式干扰光束。如果底部如图10中所述被设计成具有光滑的反射表面，那么底部可以被用作阶梯中的第一台阶。
为了形成侧壁810和820的反射表面，反射金属的溅射用于剥离工艺。或者，蒸发的金属用于剥离工艺，但在蒸发期间摇动衬底以允许在侧壁810和820以及平整表面1010和1020上良好的覆盖。将理解，其他类型的反射膜可以沉积在侧壁上。
图11示出激光器1100的透视图，激光器1100与图10相同，但包括顶板1110以进一步使激光功率集中在主瓣中并且减少旁瓣，如上文在描述图6(a)和图6(b)时所述。从反射材料(例如金属)沉积顶板，并且使用类似于用于形成半导体中的金属桥的工艺(例如，参见http://www.microchem.com/Appl-IIIVs-Airbridges.htm)。
图12(a)示出通过在与衬底的平面的法线成10°的角度A下蚀刻前腔面1230，以及在或接近垂直于衬底的平面蚀刻后腔面210而形成的半导体激光器1200的横截面。在370单分激光器芯片以使得邻近前腔面1230的天井350为10μm宽。图12(b)示出通过RSoft FDTD模拟从前腔面获得的以实线所示的VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。在两个VFF曲线之间存在相当大的差异。以实线所示的VFF示出其主瓣1280的FWHM比虚线显著变窄。此外，以实线所示的VFF示出从中心约10°的显著程度的光束指向，以及旁瓣1282的存在。旁瓣1282大于旁瓣382。
图13(a)示出通过在与衬底的平面的法线成10°的角度B下蚀刻前腔面1330，以及在或接近垂直于衬底的平面蚀刻后腔面210而形成的半导体激光器1300的横截面。在370单分激光器芯片以使得邻近前腔面1330的天井350为10μm宽。图13(b)示出通过RSoft FDTD模拟从前腔面获得的以实线所示的VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。在两个VFF曲线之间存在相当大的差异。以实线所示的VFF示出其主瓣1380的FWHM比虚线显著变窄。此外，以实线所示的VFF示出从中心约10°的显著程度的光束指向，以及旁瓣1382的存在。旁瓣1382大于旁瓣382。
图14(a)示出通过在与衬底的平面的法线成10°的角度A下蚀刻前腔面1230，以及在或接近垂直于衬底的平面蚀刻后腔面210而形成的半导体激光器1400的横截面。在570单分激光器芯片以使得邻近前腔面的阶梯为10μm宽。阶梯具有底部505和三个平坦台阶510、520和530，并且阶梯向下走向衬底。台阶510在蚀刻前腔面1430低于有源区和下熔覆层的至少部分，台阶520的表面低于510，并且台阶530的表面低于520。每个台阶具有2.5μm宽度和0.6μm高度。底部505可以低于台阶510的表面，然而，底部505可以只是略高于台阶510，只要底部505不以任何显著方式干扰光束。图14(b)示出通过RSoft FDTD模拟从前腔面获得的以实线所示的VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。以实线所示的VFF示出其主瓣1480的FWHM比虚线显著变窄。如图14(b)中可见，以实线所示的VFF的主瓣1480居中并且不显示任何显著的光束指向。甚至阶梯中的单个台阶也显示对消除光束指向有显著影响。旁瓣1482的强度比482减小。
图15示出图1(a)的有源侧朝下安装在硅衬底或基座上的解理腔面激光器的混合动力总成1500的横截面图。可以用其他类型的衬底或基座材料(例如AlN)代替硅基座。在1575切割或单分硅基座。硅基座含有向下阶梯结构。图15中所示的阶梯结构示出底部1505和三个台阶1510、1520和1530，其中台阶1510高于1520，并且台阶1520高于台阶1530。每个台阶具有2.5μm宽度和0.6μm高度。底部1505可以低于台阶1510的表面，然而，底部1505可以只是略高于台阶1510，只要底部1505不以任何显著方式干扰光束。解理腔面激光器被仔细定位成腔面邻近硅阶梯，以使得邻近前腔面的阶梯为10μm宽。通过RSoft FDTD模拟获得类似于图5(b)中的实线的VFF。硅基座可以进一步包含挡块1590，其允许解理的腔面激光器以高精度定位在硅基座上。
图16(a)示出图5(a)的有源侧朝下安装在硅基座上的蚀刻腔面激光器的混合动力总成1600的横截面图。在1575切割或单分硅基座。硅基座含有向下阶梯结构。图16(a)中所示的阶梯结构示出底部1505和三个台阶1510、1520和1530，其中台阶1510高于1520，并且台阶1520高于台阶1530。每个台阶具有2.5μm宽度和0.6μm高度。底部1505可以低于台阶1510的表面，然而，底部1505可以只是略高于台阶1510，只要底部1505不以任何显著方式干扰光束。在570单分激光器芯片以使得邻近前腔面的阶梯为10μm宽。阶梯具有底部505和三个平坦台阶510、520和530，并且阶梯向下走向衬底120。台阶510的表面在蚀刻前腔面230低于有源区和下熔覆层的至少部分，台阶520的表面(朝向衬底120)低于510，并且台阶530的表面(朝向衬底120)低于520。每个台阶具有2.5μm宽度和0.6μm高度。底部505可以低于台阶510的表面，然而，底部505可以只是略高于台阶510，只要底部505不以任何显著方式干扰光束。蚀刻腔面激光器被仔细定位成腔面邻近硅阶梯，以使得邻近前腔面的硅阶梯为约10μm宽。图16(b)示出通过RSoft FDTD模拟从前腔面获得的以实线所示的VFF和以供参考的虚线所示的图1(b)的VFF。以实线所示的VFF示出其主瓣1680的FWHM比虚线显著变窄。如图16(b)中可见，以实线所示的VFF的主瓣1680居中并且不显示任何显著的光束指向。旁瓣1682的强度比482减小。存在另一小旁瓣1684。
图17(a)示出具有2μm宽的突脊790的半导体激光器1700的顶视图。当在前腔面前面没有特征时，如图1(a)或图2(a)会出现这种情况，这个激光器具有通过RSoft FDTD模拟获得的图17(c)中以虚线所示的水平远场(HFF)。将反射弯曲侧壁1710和1720以6μm的间隙1740放置在前蚀刻腔面前面，以允许激光器与反射侧壁之间的电绝缘。弯曲侧壁结构具有4μm的长度1760和3μm的曲率半径，以及7μm的间隙1750。图17(b)示出突脊激光器和反射侧壁的RSoft FDTD模拟。图17(c)示出反射侧壁对以实线所示的HFF的影响，并且HFF在没有反射侧壁的激光器上变窄。这说明侧壁的许多形状可能超出简单的直线形。
具有倾斜的蚀刻前腔面(例如，如图12(a)、图13(a)和图14(a)中所述的前腔面)的器件具有腔面，其成一定角度放置以使得激光束在低于前腔面的临界角的角度下照射在前腔面上。这允许从这些腔面至少部分透射。具有抗反射涂层的倾斜前腔面的DFB激光器用这种方法执行得特别好。
使用具有光斑大小转换器(SSC)的半导体激光器的现有技术的器件允许从激光器发出的光束具有被修改的形状。然而，包含SSC会损失激光器性能。例如，具有SSC的激光器将具有高于没有SSC的同一激光器的阈值电流。本公开的一个有益特性是在将阶梯、顶板或侧壁添加到激光器时不以任何显著方式影响激光器的阈值电流。光束形状修改允许几个好处，例如，与光纤或光波导的较高的耦合效率，或扩大的光学对准公差。
尽管例如已将激光器200描述为具有通过蚀刻形成的后腔面210，但是将理解可以替代地通过解理形成后腔面。
当表面730或1030与衬底的角度是约45°或更高时，这不有助于以任何显著方式控制或修改激光束，然而，这可能会显著增加单分位置公差，即，740的平面与前蚀刻腔面230的平面之间的距离可以具有更大的公差并且使单分工艺更容易执行。
通过外延生长以高精度限定阶梯结构中的台阶的每个平整表面的不同深度级别。在基于InP的激光器的情况下，通过交替相对于彼此具有湿式蚀刻选择性的两种材料，例如，0.58μm的InP层与约0.02μm的InGaAs或InGaAsP薄层交替，生长外延材料。这两个层被重复到在阶梯结构中需要台阶的程度。这些层通常是n型掺杂。n型下熔覆层、非掺杂有源区、p型上熔覆层和高p型接触层随后沉积在这些层上方。
在制造蚀刻腔面和突脊之后，通过使用光致抗蚀剂或电介质进行一系列光刻掩模定义，然后进行层特定的湿式化学蚀刻，例如1:4HCl-H3PO4的InP蚀刻和1:1:10H2SO4:H2O2:H2O的InGaAs或InGaAsP蚀刻，形成在激光器前面的阶梯结构。
在许多应用中，单纵模激光器比多纵模激光器更可取。一个这样的应用是在数据通信中，其中使用单纵模激光器比多纵模激光器获得更长的通信覆盖。如上所述，具有以下一个或多个的DFB激光器：阶梯、顶板和反射侧壁，允许修改来自激光器的光束形状。美国专利7,835,415教导可以结合本公开用于激光束控制的替代的单纵模激光器，所述专利转让给本申请的受让人并且其公开内容以引用的方式整体并入本文。
具有高VFF值(例如大于40°)的半导体激光器可以被设计成具有较低的阈值电流，这是可取的。然而，通常这些激光器具有与例如光纤的不良耦合。本公开允许高VFF的低阈值电流的好处，同时允许良好的耦合效率。
尽管用1310nm发光的InP基激光器来描述本公开，但是将理解，InP上的其他波长激光器结构以及其他衬底上的其他波长激光器(例如，GaN衬底上的紫色、蓝色和绿色激光器结构以及GaAs衬底上的红外线和红色激光器结构)也可以受益于本公开。
尽管已用优选实施方案说明本公开，但是将理解在不脱离以上权利要求书中陈述的真实精神和范围的情况下，可以进行变化和修改。
本申请还涉及以下内容。
1.一种半导体芯片，其包含：
衬底；
位于所述衬底上的外延激光器；
蚀刻腔面；以及
邻近所述蚀刻腔面的结构，所述结构为天井，所述天井具有向下倾斜和具有至少一个台阶的向下阶梯中的一个。
2.如1所述的半导体芯片，其进一步包含反射侧壁。
3.如2所述的半导体芯片，其进一步包含在所述蚀刻腔面前面的顶板，所述顶板具有比所述蚀刻腔面的最低点更接近所述蚀刻腔面的最高点的下反射表面。
4.如1所述的半导体芯片，其进一步包含沉积在所述结构上的反射涂层。
5.如1所述的半导体芯片，其中所述衬底选自包含InP、GaAs和GaN的组。
6.一种半导体芯片，其包含：
衬底；
位于所述衬底上的外延激光器；
蚀刻腔面；以及
在所述蚀刻腔面前面的顶板，所述顶板具有比所述蚀刻腔面的最低点更接近所述蚀刻腔面的最高点的下反射表面。
7.如6所述的半导体芯片，其进一步包含反射侧壁。
8.如6所述的半导体芯片，其中所述衬底选自包含InP、GaAs和GaN的组。
9.一种半导体芯片，其包含：
衬底；
位于所述衬底上的外延激光器；
具有与所述衬底的平面成非90°角度的蚀刻腔面；
照射在所述蚀刻腔面上的低于所述蚀刻腔面的临界角的激光束；以及
邻近所述蚀刻腔面的反射结构。
10.如9所述的半导体芯片，其中所述结构为倾斜天井。
11.如10所述的半导体芯片，其进一步包含反射侧壁。
12.如11所述的半导体芯片，其中所述侧壁与所述蚀刻腔面通过间隙分离。
13.如9所述的半导体芯片，其中所述结构为含有至少一个台阶的阶梯。
14.如13所述的半导体芯片，其进一步包含反射侧壁。
15.如14所述的半导体芯片，其中所述侧壁与所述蚀刻腔面通过间隙分离。
16.如9所述的半导体芯片，其中所述衬底选自包含InP、GaAs和GaN的组。
17.一种混合动力总成，其包含：
基座，其具有天井的反射表面，所述天井具有向下倾斜和具有至少一个台阶的向下阶梯中的一个；以及
激光器，其具有有源层和有源侧朝下定位在所述基座上的至少一个腔面；
其中所述至少一个腔面被定位成邻近所述反射表面。
18.如17所述的混合动力总成，其中所述基座为AlN或Si。
19.如17所述的混合动力总成，其中所述至少一个腔面为蚀刻腔面，其进一步包含邻近所述蚀刻腔面的反射结构。
20.如17所述的混合动力总成，其中所述激光器由外延沉积在衬底上的激光器结构形成，所述衬底选自包含InP、GaAs和GaN的组。
21.如17所述的混合动力总成，其中所述基座进一步包括挡块。

Claims (20)

1.一种用于形成半导体芯片的方法，包括：
提供具有表面的衬底；
在所述衬底的所述表面上形成外延激光器；以及
蚀刻所述外延激光器以在所述外延激光器上形成蚀刻腔面；
其中所述衬底从所述蚀刻腔面向外延伸以形成天井，所述天井包含形成在其中的复数个台阶和暴露的反射表面。
2.如权利要求1所述的方法，还包括形成至少一个从所述蚀刻腔面向外延伸的反射侧壁。
3.如权利要求1所述的方法，还包括形成顶板，所述顶板设置为与从所述蚀刻腔面向外延伸的所述天井相对。
4.如权利要求1所述的方法，还包括形成沉积在所述天井上的反射涂层。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底选自包含InP、GaAs和GaN的组。
6.一种用于形成半导体芯片的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上形成外延激光器；
蚀刻所述外延激光器以在所述外延激光器上形成蚀刻腔面；以及
在所述衬底中形成从所述蚀刻腔面向外延伸的天井，所述天井包含形成在其中的复数个台阶和暴露的反射表面。
7.如权利要求6所述的方法，还包括形成至少一个从所述蚀刻腔面向外延伸的反射侧壁。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述衬底选自包含InP、GaAs和GaN的组。
9.一种用于形成半导体芯片的方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底的表面上形成外延激光器；
蚀刻所述外延激光器以在所述外延激光器上形成蚀刻腔面，所述蚀刻腔面具有与所述衬底的所述表面成非90°的角度；以及
形成邻近所述蚀刻腔面的结构，所述结构具有从所述蚀刻腔面向外延伸的至少两个相对的反射表面。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述结构为倾斜天井。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述至少两个相对的反射表面包含至少两个反射侧壁。
12.如权利要求11所述的方法，其中各个侧壁通过间隙分离于所述蚀刻腔面。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述结构还包括含有复数个具有反射表面的台阶的阶梯。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述至少两个相对的反射表面包含至少两个反射侧壁。
15.如权利要求14所述的方法，其中各个侧壁通过间隙分离于所述蚀刻腔面。
16.如权利要求9所述的方法，其中所述衬底选自包含InP、GaAs和GaN的组。
17.一种用于形成混合动力总成的方法，包括：
形成基座，所述基座具有天井的暴露的反射表面，所述天井具有含复数个台阶的向下阶梯；以及
在所述基座上安装激光器，所述激光器具有有源层和至少一个解离腔面；
其中所述至少一个解离腔面被定位成邻近所述暴露的反射表面使得从所述激光器发出的光被反射离开所述复数个台阶中的至少之一的所述暴露的反射表面以修改所述激光器的垂直远场。
18.如权利要求17所述的方法，还包括形成邻近所述解离腔面的反射结构。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述激光器由外延沉积在衬底上的激光器结构形成，所述衬底选自包含InP、GaAs和GaN的组。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述基座进一步包括挡块，所述激光器抵靠所述挡块定位在所述基座上。
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