CN108028512B - 低阻抗vcsel - Google Patents

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Abstract

在垂直腔面发射激光器(VCSEL)的示例性实施方案中，VCSEL包括p型分布式布拉格反射器(p‑DBR)层和与p‑DBR层相邻的p型欧姆(p‑欧姆)接触层。p‑DBR层可以包括氧化物孔，p‑欧姆接触层可以具有与氧化物孔对齐的开口。可以用介电材料填充开口。金属层可以耦连到p‑欧姆接触层并封装介电材料。

Description

低阻抗VCSEL
技术领域
本公开涉及垂直腔面发射激光器和制造垂直腔面发射激光器的方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)是半导体激光器二极管的一种。VCSEL可以是前面/顶部发射装置或背面/底部发射装置。对于背面发射装置，VCSEL包括厚的p-型分布式布拉格反射器(p-DBR)，其包括多于30个交替金属层。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供一种垂直腔面发射激光器，包括：p型分布式布拉格反射器层，其中所述p型分布式布拉格反射器层包括氧化物孔；与所述p型分布式布拉格反射器层相邻的p型欧姆接触层，其中所述p型欧姆接触层具有与所述氧化物孔对齐的开口；填充所述开口的介电材料；和封装所述介电材料的金属层，其中所述金属层耦连到所述p型欧姆接触层。
根据本公开的第二方面，提供一种制造垂直腔面发射激光器的方法，包括：在基底上产生p型分布式布拉格反射器层，所述p型分布式布拉格反射器层具有p型欧姆接触层，其中所述p型分布式布拉格反射器层包括交替堆叠的高折射率层和低折射率层，其中所述p型欧姆接触层具有开口；将湿式氧化应用至所述p型分布式布拉格反射器层，以氧化至少一个低折射率层，以形成氧化物孔，其中所述氧化物孔与所述开口对齐；用介电材料填充所述p型欧姆接触层中的开口；和用耦连到所述p型欧姆接触层的金属层封装所述介电材料。
根据本公开的第三方面，提供一种制造垂直腔面发射激光器的方法，包括：在具有p型分布式布拉格反射器层、激光腔层和n型分布式布拉格反射器层的基底上涂布p型欧姆接触层，其中所述p型欧姆接触层具有开口；进行蚀刻以产生包括所述p型分布式布拉格反射器层的台面；将湿式氧化应用于所述台面以形成与所述开口对齐的氧化物孔；添加n型欧姆接触层至通过蚀刻而暴露的n型分布式布拉格反射器层；添加介电材料以填充所述p型欧姆接触层中的所述开口；用耦连到所述p型欧姆接触层的金属层封装所述介电材料；涂布聚酰亚胺或苯并环丁烷以平坦化形貌，并产生到所述p型欧姆接触层和所述n型欧姆接触层的通孔；和在所述聚酰亚胺或所述苯并环丁烷、所述p型欧姆接触层和所述n型欧姆接触层上添加焊盘和互连金属。
附图说明
图1是根据本公开的实例VCSEL的框图；
图2是根据本公开的实例VCSEL的反射层的示例性框图；
图3A和图3B是本公开的示例性示意工艺流程图；且
图4是用于制造本公开的实例VCSEL的示例性方法的流程图。
具体实施方式
本公开公开了用于背面发射VCSEL的新的反射层及其制造方法。如上所述，VCSEL是半导体发光装置的一种。VCSEL包括前面/顶部发射装置或背面/底部发射装置。背面发射VCSEL是这样的装置：其发出的光向后通过基底而不通过顶部p-DBR层。
背面/底部发射装置VCSEL通常包括厚的p型分布式布拉格反射器(p-DBR)，其包括多于30个交替的高、低折射率的半导体层。厚的p-DBR层可以按多种不同的方式影响VCSEL的性能。例如，厚的p-DBR层可以具有大的串联电阻，导致大的电压降穿过p-DBR层。此外，高的电寄生效应会限制VCSEL的带宽。最后，厚的p-DBR可以具有高的热阻抗和高的电功率损耗。因此，p-DBR中产生高热量和通过p-DBR的差的热提取会限制VCSEL的带宽和可靠性。
尽管这些影响性能，但是厚的p-DBR层仍被用于实现高反射率。简单地通过减少交替高、低折射率层的数量来降低p-DBR层的厚度，以避免上述性能影响会导致VCSEL由于p-DBR层反射率降低而性能劣化。
通过利用薄的p-DBR层与介电增强金属镜结合，本公开的示例性实施方案避免了厚p-DBR层的性能影响。此外，由于生长的层变少以及用于生长薄的p-DBR层的时间量减少，薄的p-DBR层降低了整体成本。在一个实例中，薄的p-DBR层可以具有少于30个用于p-DBR层的交替金属层。
在一个实例中，介电增强的金属镜可包括填充在p型欧姆(p-欧姆)接触层的开口中的介电材料。然后可以用反射金属覆盖或封装介电材料。介电增强的金属镜可以有助于使用薄的p-DBR层获得与使用厚p-DBR层相比相当的性能和反射率。
图1示出了本公开的实例VCSEL 100。VCSEL 100可以是背面发射装置。换句话说，由VCSEL 100发射的光可以被反射层102反射，并通过基底110发射回来，如箭头120示出的。
在一个实例中，VCSEL 100可以在基底110上包括反射层102、激光腔层104、具有n型欧姆(n-欧姆)接触层106的n型分布式布拉格反射器(n-DBR)层108。在一个实例中，基底110可以是半导体。用于基底110的半导体的类型可以取决于由VCSEL 100发射的光所需的波长，使得特定基底在发射波长下是透明的。例如，在850纳米(nm)到1100nm之间的所需波长可以使用砷化镓(GaAs)基底。在另一个实例中，在1300nm到1550nm之间的所需波长可以使用磷化铟(InP)基底。基底110可被掺杂n型或半绝缘。
在一个实施方案中，激光腔层104可以包括多个量子阱和单独的限制异质结构区。n-DBR层108可以包括高折射率层和低折射率层的交替层。在一个实例中，在使用GaAs基底的情况下，高、低折射率层可以分别包括铝镓砷化物(AlGaAs)的低浓度和高浓度的铝层。在一个实例中，高浓度可被定义为大于90％的Al。在另一个实例中，高浓度可被定义为大约92％的Al。
在一个实施方案中，低浓度可被定义为少于12％的Al。在另一个实例中，低浓度可被定义为大约0％的Al。在其他实例中，如果使用磷化铟(InP)基底，这些层可以分别在不同的高、低折射率层(如InAlGaAs和InP)之间交替。
在一个实施方案中，n-欧姆接触层106可以含有导电金属。在一些实施方案中，n-欧姆接触层106可以含有不同金属的层。可在n-欧姆接触层106中使用的实例金属可以包括金(Au)、锗(Ge)或镍(Ni)。在一个实例中，n-欧姆接触层106可以包括Ge层，随后是Au层，随后是Ni层，随后是另一Au层。
图2示出了反射层102的更详细的图。如上所述，VCSEL 100的反射层102包括薄的p-DBR层202(也被称为“p-DBR层202”)。在一个实例中，“薄”可被定义为具有少于30层。
在一些实施方案中，p-DBR层202可以包括低折射率层204-1、204-2到204-N(本文单独称为低折射率层204或统称为低折射率层204)和高折射率层206-1、206-2到206-N(本文单独称为高折射率层206或统称为高折射率层206)的交替层。在一个实例中，当使用GaAs基底时，低折射率层204和高折射率层206可以包括分别具有高Al浓度和低Al浓度的AlGaAs。在一个实例中，高浓度可被定义为大于90％的Al。在另一个实例中，高浓度可被定义为大约92％或98％的Al。
在一个实施方案中，低浓度可被定义为少于12％的Al。在另一个实例中，低浓度可被定义为大约0％的Al。在其他实例中，如果使用InP基底，这些层可以分别在不同的高折射率层和低折射率层(如InAlGaAs和InP)之间交替。
在一个实例中，湿式氧化工艺可以选择性地氧化p-DBR层202中的低折射率层204。湿式氧化将AlGaAs转化为氧化铝，随着Al浓度的增加，氧化率提高。低折射率层204可以比高折射率层206氧化得快得多。湿式氧化工艺可以从外侧朝向p-DBR层202的中心氧化低折射率层204。可应用湿式氧化工艺，使得低折射率层204的一部分保持未氧化以产生氧化物孔208。虽然仅在图2中示出了单个氧化物孔208，但应当注意到，可以存在一个以上的氧化物孔208。
氧化物孔208可以定义p-DBR层202中光被限制的区域。氧化物孔208还可以限定送到VCSEL 100的电流到达氧化物孔208附近。
在一个实施方案中，p型欧姆(p-欧姆)接触层210可邻近于p-DBR层应用。p-欧姆接触层210可以包括金属。在一些实施方案中，p-欧姆接触层210可包括不同金属的多个层。例如，p-欧姆接触层210可以是钛(Ti)层随后是铂(Pt)层随后是金(Au)层。
在一些实例中，p-欧姆接触层210可以包括开口220。开口220可以在p-欧姆接触层210的中心。在另一个实例中，开口220可以与氧化物孔208对齐。换言之，当观察p-欧姆接触层210的俯视图时，p-欧姆接触层210可能看起来像“面包圈”形或环形。
在一个实例中，p-欧姆接触层210的开口220可填充有介电材料212。介电材料212可以是折射率小于2的任何材料。在一个实例中，介电材料212可以是电绝缘的和光学透明的氧化物和氮化物。可用作介电材料212的氧化物或氮化物的一些实例可以包括二氧化硅(SiO2)或氮化硅(Si3N4)。在另一个实例中，介电材料212可以是任何类型的透明导电材料。透明导电材料的实例可以包括某些金属氧化物和氮化物。在替代实施方案中，介电材料212可以是空气。在这种情况下，金属层214可悬浮在p-DBR层上。
在一些实施方案中，介电材料212可被填充到小于、等于或大于p-欧姆接触层210的高度。在其它实施方案中，介电材料212可以溢出，使得介电材料212填充或部分填充开口220，并且位于p-欧姆接触层210的顶部以便于制造。
在一个实例中，介电材料212的厚度可以是VCSEL 100的预期激射波长的函数。例如，介电材料212的厚度可为VCSEL 100的预期激射波长的大约四分之一。在数学上，厚度可表示为厚度～激射波长/(4*n_介电材料)，其中n_介电材料表示介电材料212的折射率。
在一个实例中，可以在介电材料212上涂布金属层214以封装介电材料212。金属层214可用于从外部环境密封介电材料212。可选地，金属层214可以部分或完全覆盖介电材料212。金属层214可以包括例如但不限于Au、Al、铜(Cu)或银(Ag)的金属。在一些实例中，可以涂布光学薄粘合层如钛，以改善金属层214和介电材料212之间的粘合性。在一些实例中，扩散屏障，如Pt，可涂布在金属层214和p-欧姆接触层210之间。
在其它实例中，可以使介电材料212和/或金属层214图案化以增强光的特定偏振的反射率。例如，金属层214可以被图案化为非常类似于线栅偏振器的线状线性阵列。在其他实施方案中，介电层212可被设计为具有高折射率的介电材料和低折射率的介电材料的DBR。
图3A和图3B说明了用于制造VCSEL 100的示例性示意工艺流程300。图3A以框302开始，p-欧姆接触层210涂布在具有p-DBR层202、激光腔层104和n-DBR层108的基底110上。在一些实施方案中，p-DBR层202、激光腔层104和n-DBR层108可使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺或分子束外延(MBE)工艺在基底110上生长。
在一个实例中，在基底110的顶部上的最后一层(例如，p-DBR层202的最顶层)可以是具有低带隙的材料，其可以使金属在p-欧姆接触层210中进行良好的欧姆接触。例如，对于GaAs基底，接触p-欧姆接触层210的最后一层可以是大量p型掺杂的GaAs层。
可通过电子束蒸发、溅射工艺、电镀工艺或任何其他金属涂布工艺来涂布p-欧姆接触层210。p-欧姆接触层210可以被图案化以具有开口220。
在框304，可应用掩模、光刻法和蚀刻工艺产生包括p-DBR层202的“台面”。例如，可以涂布用光致抗蚀剂和光刻法工艺图案化并用干蚀刻工艺蚀刻的SiN掩模350。在框304中图示“台面”作为图案化的SiN掩模350、p-DBR层202和激光腔层104被移除或蚀刻掉之后的部分。
在框306，可以将湿式氧化工艺选择性地应用于台面以形成与p-欧姆接触层的开口对齐的氧化物孔208。如上所述，低折射率层204可以具有比高折射率层206更高的氧化率。湿式氧化工艺可以将p-DBR层202从p-DBR层202的外部或周边并向内朝向p-DBR层的中心进行氧化。可以控制湿式氧化工艺，以氧化低折射率层204直到产生氧化物孔208。氧化物孔208可以比p-DBR层202中的其他层具有高得多的Al浓度。例如，氧化物孔层可以由具有98％的Al的AlGaAs组成。
应该注意的是，只有单个氧化物孔208被图示在图3中，以便于解释。然而，如以上参照图2所述，可以在经历湿式氧化工艺的多个98％的Al层中产生氧化物孔208。换句话说，如果有10个98％的Al层，那么在p-DBR层202中将有10个氧化物孔208。
在框308，可以添加n-欧姆接触层106。例如，可以邻近n-DBR层108的最顶层添加n-欧姆接触层106。可使用电子束蒸发、溅射工艺、电镀工艺或任何其他金属涂布工艺来添加n-欧姆接触层106。
在框310移向图3B，可以移除SiN掩模350，并且可以添加介电材料212以填充p-欧姆接触层210中的开口。在一个实例中，可以使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺、电子束蒸发、溅射、原子层沉积和旋涂等来添加介电层212。光刻法和蚀刻步骤可用于选择性地将不期望的位置上多余的介电材料212蚀刻掉。
在框312，可以用耦连到p-欧姆接触层210的金属层214封装介电材料212。可以通过电子束蒸发、溅射、热蒸发、电镀或任何其它金属涂布工艺来添加金属层214。金属层214可以完全密封介电材料212免受外部环境影响。
在一个实例中，金属层214可以包括金属，金属很好地粘附于p-欧姆接触层210的最顶部的金属层。在一些实施方案中，可以在金属层214和接触金属层214的p-欧姆接触层210之间添加扩散屏障。
在框314，VCSEL结构可被平坦化。例如，可涂布聚酰亚胺或苯并环丁烷(BCB)352以平坦化表面形貌。可以通过光刻法或蚀刻p-欧姆接触层210和n-欧姆接触层106在聚酰亚胺或BCB 352中图案化通孔来产生通孔。
在框316，焊盘和互连金属354可以添加在聚酰亚胺或BCB 352上，并且耦连到p-欧姆接触层210和n-欧姆接触层106。焊盘和互连金属354可以包括诸如Ti、Pt或Au的金属。
图4示出用于制造VCSEL 100的另一方法400的示例性流程图。在一个实例中，可以使用多个不同的自动化工具(例如，CVD工具、湿蚀刻工具、干蚀刻工具、离子注入工具、溅射工具和湿式氧化工具等)在晶片制造厂执行方法400，以进行所述不同的工艺。
在框402，方法400开始。在框404，方法400在基底上产生具有p-欧姆接触层的p-DBR层，其中p-DBR层包括交替堆叠的高折射率层和低折射率层，其中p-欧姆接触层具有开口。在一个实例中，p-DBR层可为薄的p-DBR层。在一个实例中，“薄”可被定义为具有少于30层。
在使用GaAs基底的一些实例中，高折射率层和低折射率层可以包括分别具有高、低Al浓度的AlGaAs。在一个实例中，高浓度可被定义为大于90％的Al。在另一个实例中，高浓度可被定义为大约92％或98％的Al。在一些实例中，低浓度可被定义为小于12％的Al。在另一个实例中，低浓度可被定义为0％的Al。在其他的实例中，如果使用InP基底，这些层可以分别在不同的高、低折射率层(如InAlGaAs和InP)之间交替。
在一些实施方案中，可以产生n-DBR层。n-DBR层可以包括类似于p-DBR层的高折射率层和低折射率层的交替层。此外，激光腔层邻近于n-DBR层，且p-DBR层可以在基底中产生。激光腔层可以由多个量子阱组成。
在框406，方法400将湿式氧化应用到p-DBR层，以氧化至少一个低折射率层，以形成氧化物孔，其中氧化物孔与开口对齐。湿式氧化工艺可以选择性地氧化p-DBR层的至少一个低折射率层以形成氧化物孔。在一个实例中，至少一个低折射率层可为具有较高或最高的Al浓度的低折射率层(例如，具有98％的Al的AlGaAs层)。湿式氧化工艺可以从外-内的方向(outside-in direction)氧化p-DBR层。换句话说，湿式氧化始于对p-DBR层的外侧进行氧化，并逐渐向内氧化高Al浓度层，或沿高Al浓度层的方向，朝向p-DBR层的中心进行氧化。
在框408，方法用介电材料填充p-欧姆接触层中的开口。介电材料可以是折射率小于2的任何材料。在一个实例中，介电材料可以是电绝缘的和光学透明的氧化物和氮化物。可用作介电材料的氧化物或氮化物的一些实例可以包括二氧化硅(SiO2)和氮化硅(Si3N4)。可选地，介电材料可以是任何透明的导电材料，其允许光通过，但也导电，如透明导电氧化物和氮化物。
在一个实例中，介电材料的厚度可以是VCSEL的激射波长的函数。例如，介电材料的厚度可为VCSEL波长的约四分之一。在数学上，厚度可表示为厚度～激射波长/(4*n_介电材料)，其中n_介电材料表示介电材料的折射率。
在框410，方法400用耦连到p-欧姆接触层的金属层封装介电材料。金属层可以从外部环境完全密封介电材料。在一个实例中，金属层可以包括很好地粘附于p-欧姆接触层的最顶部的金属层的金属。
在一些实施方案中，VCSEL结构也可以通过添加聚酰亚胺或BCB进行平坦化。p-欧姆接触层和n-欧姆接触层中的通孔可以被图案化到聚酰亚胺或BCB中。此外，耦连到p-欧姆接触层和n-欧姆接触层的焊盘和互连金属可以添加在聚酰亚胺或BCB上。在框412，方法400结束。
将理解，上述公开的变体以及其他特性和功能或其替代方案可组合成许多其他不同的系统或应用。可随后进行本文中各种目前未预见的或未预料到的替代方案、修改或变体，其也计划被涵盖在所附权利要求书中。

Claims (15)

1.一种垂直腔面发射激光器，包括：
p型分布式布拉格反射器层，其中所述p型分布式布拉格反射器层包括氧化物孔；
与所述p型分布式布拉格反射器层相邻的p型欧姆接触层，其中所述p型欧姆接触层具有与所述氧化物孔对齐的开口；
填充所述开口的介电材料；和
封装所述介电材料的金属层，其中所述金属层耦连到所述p型欧姆接触层。
2.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述p型分布式布拉格反射器层包括堆叠的少于30层的高浓度的铝在铝镓砷化物中的层和低浓度的铝在铝镓砷化物中的层的交替层。
3.如权利要求2所述的垂直腔面发射激光器，其中所述高浓度的铝包括92％或更多的铝且所述低浓度的铝包括12％或更少的铝。
4.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述介电材料包括具有小于2的折射率的材料。
5.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述金属层被图案化以增强光的特定偏振的反射。
6.如权利要求5所述的垂直腔面发射激光器，其中所述金属层被图案化为线栅偏振器。
7.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其中所述金属层包括金属，所述金属结合至所述p型欧姆接触层的顶部金属层。
8.如权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，进一步包括：
在所述p型欧姆接触层和所述金属层之间的扩散屏障。
9.一种制造垂直腔面发射激光器的方法，包括：
在基底上产生p型分布式布拉格反射器层，所述p型分布式布拉格反射器层具有p型欧姆接触层，其中所述p型分布式布拉格反射器层包括交替堆叠的高折射率层和低折射率层，其中所述p型欧姆接触层具有开口；
将湿式氧化应用至所述p型分布式布拉格反射器层，以氧化至少一个低折射率层，以形成氧化物孔，其中所述氧化物孔与所述开口对齐；
用介电材料填充所述p型欧姆接触层中的开口；和
用耦连到所述p型欧姆接触层的金属层封装所述介电材料。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述交替堆叠的所述p型分布式布拉格反射器层包括少于30层的层。
11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
将聚酰亚胺或苯并环丁烷涂布至所述p型分布式布拉格反射器层；
产生到所述p型欧姆接触层和n型欧姆接触层的通孔；和
在所述聚酰亚胺或所述苯并环丁烷上添加焊盘和互连金属，并将所述焊盘和互连金属耦连到所述p型欧姆接触层和所述n型欧姆接触层。
12.如权利要求9所述的方法，进一步包括：
在所述基底上产生n型分布式布拉格反射器层；和
在所述基底上产生与所述n型分布式布拉格反射器层和所述p型分布式布拉格反射器层相邻的激光腔层。
13.一种制造垂直腔面发射激光器的方法，包括：
在具有p型分布式布拉格反射器层、激光腔层和n型分布式布拉格反射器层的基底上涂布p型欧姆接触层，其中所述p型欧姆接触层具有开口；
进行蚀刻以产生包括所述p型分布式布拉格反射器层的台面；
将湿式氧化应用于所述台面以形成与所述开口对齐的氧化物孔；
添加n型欧姆接触层至通过蚀刻而暴露的n型分布式布拉格反射器层；
添加介电材料以填充所述p型欧姆接触层中的所述开口；
用耦连到所述p型欧姆接触层的金属层封装所述介电材料；
涂布聚酰亚胺或苯并环丁烷以平坦化形貌，并产生到所述p型欧姆接触层和所述n型欧姆接触层的通孔；和
在所述聚酰亚胺或所述苯并环丁烷、所述p型欧姆接触层和所述n型欧姆接触层上添加焊盘和互连金属。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述p型分布式布拉格反射器层包括堆叠的少于30层的高浓度的铝在铝镓砷化物中的层和低浓度的铝在铝镓砷化物中的层的交替层。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述介电材料包括具有小于2的折射率的材料。
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