CN110875572B - 用于制造垂直腔表面发射激光的方法及其结构和集成电路 - Google Patents

用于制造垂直腔表面发射激光的方法及其结构和集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明的一些实施例涉及一种用于制造垂直腔表面发射激光的方法。该方法包括在第一反射层上方形成光学活性层以及在该光学活性层上方形成第二反射层。在该第二反射层上方形成掩模层，其中该掩模层使第二反射层的牺牲部分暴露。执行第一蚀刻以去除第二反射层的牺牲部分，限定第二反射器。形成覆盖第二反射器和掩模层的外侧壁的第一间隔件。在第一间隔件在适合的位置执行氧化工艺以氧化光学活性层的外围区，同时使光学活性层的中心区未被氧化。执行第二蚀刻以去除氧化的外围区的一部分，从而限定光学活性区。形成覆盖第一间隔件、光学活性区、和第一反射器的外侧壁的第二间隔件。本发明的实施例还提供了垂直腔表面发射激光(VCSEL)结构以及集成电路。

Description

用于制造垂直腔表面发射激光的方法及其结构和集成电路
技术领域
本发明的实施例涉及半导体领域，并且更具体地，涉及用于制造垂直腔表面发射激光的方法及其结构、以及集成电路。
背景技术
激光二极管用于许多种器件中并且是众所周知的。半导体垂直腔表面发射激光(VCSEL)是下一代激光二极管的一种有希望的候选者。与诸如边缘发射器件的当前激光二极管相比，来自VCSEL的发射垂直于器件的平面，因此可以使用标准处理技术来处理。此外，来自VCSEL器件的有利发射允许在单个晶圆上产生大量激光。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种用于制造垂直腔表面发射激光的方法，包括：在第一反射层上方形成光学活性层；在所述光学活性层上方形成第二反射层；在所述第二反射层上方形成掩模层，其中所述掩模层覆盖所述第二反射层的反射器区，其中所述掩模层使所述第二反射层的牺牲部分暴露出；执行第一蚀刻工艺以去除所述第二反射层的所述牺牲部分，限定第二反射器并且暴露出所述光学活性层的上表面；形成覆盖所述第二反射器的外侧壁和所述掩模层的外侧壁的第一间隔件，其中所述第一间隔件的下表面接触所述光学活性层的上表面；在所述第一间隔件在适当位置中执行氧化工艺以氧化所述光学活性层的外围区，同时使所述光学活性层的中心区未氧化；执行第二蚀刻工艺以去除氧化的所述外围区的一部分，限定光学活性区并且去除所述第一反射层的一部分，限定第一反射器；以及形成覆盖所述第一间隔件的外侧壁的、氧化的所述外围区的剩余部分的外侧壁的、以及所述第一反射器的外侧壁的第二间隔件。
根据本发明的实施例，还提供了一种垂直腔表面发射激光(VCSEL)结构，包括：在第一电极上方设置的衬底；在所述衬底上方设置的第一反射器；在所述第一反射器上方的光学活性区，其中所述第一反射器和所述光学活性区具有对齐的外侧壁；在所述光学活性区上方设置的第二反射器，其中所述光学活性区光学耦合到所述第一反射器和所述第二反射器；在所述第二反射器上方设置的掩模层；在所述掩模层上方设置的第二电极，其中所述第二电极包含穿过所述第二电极的中心暴露出所述掩模层的上表面的孔口；覆盖所述第二反射器的外侧壁的第一间隔件，其中，所述第一间隔件的下表面接触所述光学活性区的上表面；以及覆盖所述第一间隔件的外侧壁的、所述光学活性区的外侧壁的、和所述第一反射器的外侧壁的第二间隔件。
根据本发明的实施例，还提供了一种集成电路，包括：在第一电极上方设置的衬底；在所述衬底上方设置的第一反射器，其中所述第一反射器包括第一砷化铝层，以及在所述第一砷化铝层上方堆叠的第一砷化镓层；在所述第一反射器上方的光学活性区，所述光学活性区包括中心区和围绕所述中心区的外围区，所述中心区包括铝，并且所述外围区包括氧化铝，其中，所述外围区具有与所述第一反射器的外侧壁对齐的外侧壁；在所述光学活性区上方设置的第二反射器，其中所述第二反射器包括第二砷化铝层和在所述第二砷化铝层上方堆叠的第二砷化镓层，其中，所述光学活性区光学耦合到所述第一反射器和所述第二反射器；在所述第二反射器上方设置的掩模层；在所述掩模层上方设置的第二电极，其中所述第二电极包含穿过所述第二电极的中心暴露出所述掩模层的上表面的孔口；覆盖所述第二反射器的外侧壁的第一间隔件，其中，所述第一间隔件的下表面接触所述光学活性区的所述外围区的上表面；其中，所述第一间隔件的内侧壁直接接触所述第二反射器的外侧壁而没有任何氧化材料将所述第一间隔件与所述第二反射器分开；以及覆盖所述第一间隔件的外侧壁的、所述光学活性区的所述外围区的外侧壁的、和所述第一反射器的外侧壁的第二间隔件。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述中可以最好地理解本公开的各方面。应注意，根据工业中的标准实践，各种特征未按比例绘制。实际上，为了清楚讨论，可以任意增加或减少各种特征的尺寸。
图1至图7示出了根据本公开的VCSEL器件的一些实施例的横截面图。
图8A示出了根据本公开的包括显示为一些VCSEL器件的横截面切口的VCSEL器件阵列的激光件的一些实施例的透视图。
图8B示出了根据本公开的阐述了在VCSEL器件的不同实施例中使用的多种不同材料的导热特性的曲线图。
图8C示出了根据本公开的阐述多个不同VCSEL器件的反射特性并且突出显示VCSEL器件的一些性能示例的图表。
图9至图16示出了根据本公开的形成VCSEL器件的方法的一些实施例的横截面图。
图17示出了显示形成VCSEL器件的方法的一些实施例的流程图格式的方法。
具体实施方式
本公开提供了用于实现本公开的不同特征的许多不同实施例或示例。以下描述组件和布置的具体示例以简化本公开。当然，这些仅仅是示例，而不是限制性的。例如，在随后的描述中在第二部件上方或上形成第一部件可以包括其中第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且还可以包括其中可以在第一部件和第二部件之间形成附加部件使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。另外，本公开可以在各种示例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的并且其本身并不表示所讨论的各种实施例和/或配置之间的关系。
此外，这里可以使用空间相对术语，例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”等，以便于说明书以描述一个元件或部件与如图所示的另一个元件或部件的关系。除了图中所示的定向之外，空间相对术语旨在包括使用或操作中的器件的不同定向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向上)并且同样可以相应地解释这里使用的空间相对描述符。
半导体垂直腔表面发射激光(VCSEL)器件包括顶部电极和底部电极，分布式布拉格反射器(DBR)和光学活性区布置在顶部电极和底部电极之间。DBR包括由交替层的堆叠组成的DBR层。在传统的VCSEL器件制造中，执行蚀刻工艺以形成DBR层和光学活性区的外侧壁。然后，执行氧化工艺，导致在DBR层和光学活性区的外侧壁上发生氧化。在氧化工艺之后，形成侧壁间隔件以覆盖DBR层和光学活性区的氧化的外侧壁。尽管广泛采用这种制造方法，但DBR层中的氧化导致导热率的降低和器件的可操作波长带宽的降低。这导致在正常操作期间光学活性区中的温度较高。随着光学活性区的温度增加，操作波长将分别增加。这会导致不必要的缺陷，因为器件将不再以所需波长操作。
在本公开的一些实施例中，为了防止DBR层中的氧化，可以在上述工艺的中间步骤中引入侧壁间隔件。首先，在第一电极上方形成衬底并且在衬底上方形成第二DBR层集合。在第二DBR层集合上方形成光学活性区。然后，在光学活性区上方形成第一DBR层集合。新工艺涉及通过第一DBR层集合执行的蚀刻工艺。然后，在第一DBR层集合的侧壁周围形成第一侧壁间隔件。然后，在形成第一侧壁间隔件之后执行氧化工艺，其中氧化将仅在光学活性区中形成。然后，通过光学活性区和光学活性区下方的第二DBR层集合执行蚀刻工艺。最后，围绕第一侧壁间隔件、第二DBR层集合和光学活性区的外侧壁形成第二侧壁间隔件。这防止了在任何DBR层中形成任何氧化，因此防止了与DBR层中的氧化有关的缺陷。
参考图1，提供了根据一些实施例的VCSEL器件100的横截面图。VCSEL器件100包括底部电极101，衬底102设置在底部电极101上方。衬底102可以是，例如，块状衬底(例如，块状硅衬底)、绝缘体上硅(SOI)衬底等。在一些实施例中，衬底102是砷化镓层。在衬底102上方设置第一反射器104。在第一反射器104上方设置光学活性区106，光学活性区106包括包含金属(未氧化的)的中心光学活性区107和包含金属的氧化形式的外围光学活性区108。第一反射器104和外围光学活性区106具有对齐的外侧壁。在光学活性区106上方设置第二反射器110并且在第二反射器110上方设置掩模层112。在掩模层112上方设置具有中心孔口的顶部电极114。第一间隔件116设置在光学活性区106上方并覆盖第二反射器110和掩模层112的外侧壁。第二间隔件118设置在衬底102上方并覆盖第一间隔件116、光学活性区106和第一反射器104的外侧壁。
在一些实施例中，底部电极101包括铜、铁、钴、镍、钛等。在一些实施例中，顶部电极114包括铜、铁、钴、镍、钛等；并且可以由与底部电极101相同的材料或不同的材料制成。在一些实施例中，掩模层112可以是，例如，或包括光刻胶、氧化硅等，其形成的厚度在约1.5微米至约4微米的范围内。在一些实施例中，第一间隔件116包括氮化物，诸如氮化钛或氮化硅，其形成的厚度在约1000微米至约2000微米的范围内。在一些实施例中，第二间隔件118包括氮化物，诸如氮化钛或氮化硅，其形成的厚度在约1000微米至约2000微米的范围内。在一些实施例中，光学活性区106的中心区107包括诸如铝的金属；而外围区108包括氧化形式的金属，诸如氧化铝。在一些实施例中，光学活性区106的中心区包括高浓度的铝，例如96％至100％的铝，其可以促进光学活性区的导热率高于低浓度的铝。
在VCSEL器件100的操作期间，在底部电极101和顶部电极114上施加偏压，这使得中心光学活性区107发光120。第一反射器104和第二反射器110被定位成使得产生的光120在第一反射器104和第二反射器110之间反射多次，并且由于干涉的影响，光的一些图案和/或频率通过相长干涉被放大，而其他图案和/或频率的光被相消干涉衰减。以这种方式，在第一反射器104和第二反射器110之间来回反复多次反射之后，光120以预定波长通过顶部电极114中的孔口射出。
当VCSEL器件产生该光120时，也产生热量。为了更好地散热，第一间隔件116具有完全覆盖第二反射器110的外侧壁的最内侧壁。此外，第一间隔件116形成为与第二反射器110的外侧壁上的未氧化材料直接接触。与其中第二反射器110的外侧壁被氧化的先前方法相比，本公开的第二反射器110在第一间隔件116的范围内保持完全未氧化的实施例为第二反射器110提供了更高的导热率。因此，第二反射器110完全由未氧化材料制成，这允许第二反射器110更有效地散热。因此，与先前的VCSEL相比，图1的VCSEL器件100能够在操作期间保持更恒定的温度并且相应地以更一致的波长输出光120。
图2示出了VCSEL器件200的一些附加实施例的横截面图。第一反射器104和第二反射器110由具有不同折射率的两种不同材料的交替层组成。交替层的堆叠包括第一层202和第二层204。在一些实施例中，第一层202可以由砷化镓(GaAs)构成并且第二层204可以由砷化铝(AlAs)构成。在一些实施例中，第一反射器104和第二反射器110均由第一层202和第二层204的40对或更多个交替层组成。
在一些实施例中，第一反射器104和第二反射器110可以是包含成对206的堆叠的分布式布拉格反射器(DBR)。对206的堆叠包括第一层202和第二层204。每对206可以是约半波长厚，其中波长对应于从VCSEL器件发射的波长。每个单独的层，第一层202和第二层204，可以是大约四分之一波长的厚度。例如，在一些实施例中，从VCSEL器件发射的波长是840nm，并且对206具有大约420nm的厚度。该对206中的每个单独的层，第一层202和第二层204，可以由具有不同浓度的不同材料构成。在一些实施例中，第一层202包括铝浓度为10％的砷化铝镓(Al0.1GaAs)，第二层204包含铝浓度为90％的砷化铝镓(Al0.9GaAs)。在其他实施例中，第一层202包括砷化镓(GaAs)，第二层204包括砷化铝(AlAs)。其中第一层是GaAs而第二层是AlAs的这些其他实施例具有比第一层是Al0.1GaAs并且第二层是Al0.9GaAs的实施例更低的热阻。
图3示出了VCSEL器件300的一些附加实施例的横截面图。第二反射器110的外侧壁包括多个凹槽。第一间隔件116的内侧壁包括与第二反射器110中的多个凹槽接合的多个突起。第一间隔件116的外侧壁包括第二多个凹槽。在一些实施例中，多个突起和多个凹槽由半圆组成。在一些实施例中，多个突起和多个凹槽由三角形组成。第一层202和第二层204的外侧壁包括凹槽。在一些实施例中，第一层202和第二层204的外侧壁包括多个凹槽(未示出)。
图4示出了VCSEL器件400的一些附加实施例的横截面图。第二反射器110的外侧壁包括多个凹槽。第一间隔件116的内侧壁包括与第二反射器110中的多个凹槽接合的多个突起。第一间隔件116的外侧壁包括第二多个凹槽。第二间隔物118的内侧壁包括直接接触第一间隔件116的第二多个凹槽的第二多个突起。第二间隔件118的外侧壁包括第三多个凹槽。在一些实施例中，多个突起和多个凹槽包括半圆。第一层202和第二层204的外侧壁包括凹槽。
图5示出了VCSEL器件500的一些附加实施例的横截面图。第二反射器110的外侧壁包括多个凹槽。第一间隔件116的内侧壁包括与第二反射器110中的多个凹槽相接的多个突起。第一间隔件116的外侧壁包括第二多个凹槽。光学活性区106的外侧壁包括第四多个凹槽。第一反射器104的外侧壁包括第五多个凹槽。第二间隔件118的内侧壁包括直接接触第一间隔件116的第二多个凹槽、光学活性区106的第四多个凹槽、以及第一反射器104的第五多个凹槽的第二多个突起。第二间隔件118的外侧壁包括第三多个凹槽。在一些实施例中，多个突起和多个凹槽由半圆组成。第一层202和第二层204的外侧壁包括凹槽。在一些实施例中，第一层202和第二层204的外侧壁包括多个凹槽(未示出)。
图6示出了VCSEL器件600的一些附加实施例的横截面图。第二反射器110的外侧壁包括多个凹槽。掩模层112的外侧壁包括第六多个凹槽。第一间隔件116的内侧壁包括与第二反射器110中的多个凹槽相接的多个突起，以及第一间隔件116中的第六多个凹槽。第一间隔件116的外侧壁包括第二多个凹槽。光学活性区106的外侧壁包括第四多个凹槽。第一反射器104的外侧壁包括第五多个凹槽。第二间隔件118的内侧壁包括直接接触第一间隔件116的第二多个凹槽、光学活性区106的第四多个凹槽、以及第一反射器104的第五多个凹槽的第二多个突起。第一间隔件118的外侧壁包括第三多个凹槽。在一些实施例中，多个突起和多个凹槽由半圆组成。第一层202和第二层204的外侧壁包括凹槽。在一些实施例中，第一层202和第二层204的外侧壁包括多个凹槽(未示出)。
图7示出了VCSEL器件700的一些附加实施例的横截面图。与图1的VCSEL器件相比，VCSEL器件700已经翻转了底部电极101和衬底102的位置。应当理解，在所示的其他实施例中和/或在此讨论的，底部电极101和衬底102的位置也可以翻转，并且这些变化被认为落入本公开的范围内。
图8A示出了包括显示为一些VCSEL器件的横截面切口的VCSEL器件阵列的激光件800a的一些实施例的透视图。在一些实施例中，VCSEL器件801可以包括在具有以行和列布置的多个VCSEL器件的阵列内。VCSEL器件801包括底部电极101，其中衬底102设置在底部电极101上方。第一反射器104设置在衬底102上方。光学活性区106设置在第一反射器104上方。第一反射器104和光学活性区106具有对齐的外侧壁。光学活性区106的氧化外围区108由氧化物组成。光学活性区106的中心区107不含氧化物。第二反射器110设置在光学活性区106上方。掩模层112设置在第二反射器110上方。电极114形成在掩模层112上方。在一些实施例中，电极114包括穿过电极114的中心，暴露出掩模层112的上表面的孔口。第一间隔件116设置在光学活性区106上方并且覆盖第二反射器110和掩蔽层112的外侧壁。第二间隔件118设置在底部电极101上方并覆盖第一间隔件116、光学活性区106、和第一反射器104的外侧壁。
图8B示出了包括展示了VCSEL器件的实施例的导热特性的热阻率曲线810的图800b，诸如先前在图1至图7中示出和描述的。热阻率曲线810反映了包含砷化铝镓的化合物的热阻率，其化学式为AlxGax-1As。图8B的x轴表示上述化学式中的x值。图8B的y轴表示包含AlxGax-1As的化合物的热阻率(cm*K/W，例如厘米*开尔文/瓦特)的增加。包括具有低导热率的材料的VCSEL器件将防止在操作期间在VCSEL器件的光学活性区中积聚热量，这将防止器件由于工作频率的变化而从光学活性区中的热量积聚中失效。
更具体地，在图8B中，第一点802对应于x值0并且第二点808对应于x值1。在根据本公开的VCSEL器件的一些实施例中，例如，第一点802对应于第一层202的热阻率(例如，第一层202包括GaAs)，第二点808对应于第二层204的热阻率(例如，第二层204包括AlAs)。因此，在上面的示例中，第一层202和第二层204的组合将导致VCSEL器件的总体低热阻。在一些实施例中，第三点804表示光学活性区106中的Al浓度。在一些实施例中，光学活性区106中的Al浓度小于第二层204中的Al浓度。例如，光学活性区106中的Al浓度为98％(例如Al0.98)，而第二层204中的Al浓度为100％(例如AlAs)。
另外，在图8B中，点806和点812之间的x值范围表示x值的范围，其中第二VCSEL器件内的DBR堆叠包括氧化物。点806和点812之间的x值的范围可以在大约0.1和0.9的范围内，其中DBR堆叠中的第一层包括Al0.1Ga0.9As(例如x＝0.1)并且DBR堆叠中的第二层包括Al0.9Ga0.1As(例如x＝0.9)。点806和点812之间的热阻率曲线810描绘了用于制造第二VCSEL器件的DBR堆叠中的第一层和第二层的化合物的热阻率范围。
第二VCSEL器件的第一层和第二层的组合的热阻率将大于根据本公开的VCSEL器件的第一层202和第二层204的组合的热阻率。因此，在DBR堆叠中包括氧化物的第二VCSEL器件由于DBR堆叠中的较高热阻率而遭受耐久性劣化。因此，根据本公开的VCSEL器件由于较低的热阻率而具有改善的耐久性，允许该器件在操作期间更好地散去在光学活性区内的热。
图8C示出了曲线图800c，其包括VCSEL器件的实施例的一对反射率曲线，诸如先前在图1至图7中示出和描述的。可以理解，VCSEL器件可以设计用于许多不同的波长，因此图8C和相关的波长值仅仅是一个示例。在VCSEL器件的操作期间，在器件上施加电压，并且VCSEL器件具有操作波长，当操作波长处于谐振波长时，单色光将发射。VCSEL器件通常具有称为操作带宽的一系列谐振波长。在VSCEL器件的操作期间，热量将在器件的光学活性区中积聚并导致操作波长增加。随着热量的增加，操作波长会在操作带宽之外增加，并导致VCSEL器件无法发出单色光。关于图8C，操作带宽可以定义为反射率为1.0的任何波长，或高于特定反射率值的任何波长，诸如高于约0.75、0.85、或0.95的反射率。
更具体地，在图8C中，第一反射率曲线818对应于根据本公开的VCSEL器件的光谱反射率。第一操作带宽818a对应于第一反射率曲线818的操作带宽。在一些实施例中，第一操作带宽818a在大约905nm和大约985nm之间。第二反射率曲线816对应于包括其DBR堆叠中的氧化物的第二VCSEL器件的光谱反射率。第二操作带宽816a对应于第二反射率曲线816的操作带宽。在一些实施例中，第二操作带宽816a在大约920nm和大约965nm之间。对比第一反射率曲线818和第二反射率曲线816，第一操作带宽818a包括与第二操作带宽816a相比更大范围的谐振波长值。另外，靠近第一操作带宽818a的中心的波谷有比第二操作带宽816a的中心附近的波谷大得多的反射率值。因此，在第二VCSEL器件的操作期间，随着热量在第二VCSEL器件的光学活性区内积聚，与根据本公开的VCSEL器件相比，操作波长将在第二操作带宽816a之外更快地增加。因此，根据本公开的VCSEL器件中的侧壁间隔件增加了VCSEL器件的操作带宽并增加了器件发射单色光的能力。
图9至图16示出了形成VCSEL器件的方法的一些实施例的横截面图900至横截面图1600。尽管参照方法描述图9至图16中示出的横截面图900至横截面图1600，但是应该理解，图9至图16公开的结构不限制于方法，而是可以作为独立于方法单独存在。尽管图9至图16被描述为一系列动作，但是应当理解，这些动作不是限制性的，因为在其他实施例中动作的顺序可以改变，并且所公开的方法也适用于其他结构。在其他实施例中，可以整体或部分地省略所示出和/或描述的一些动作。
如图9的横截面图900所示，底部电极101形成在衬底102的下表面上。在一些实施例中，底部电极101包括铜、铁、钴、镍、钛等。衬底102可以是，例如，块状衬底(例如，块状硅衬底)或绝缘体上硅(SOI)衬底。在衬底102上方形成第一反射层902。第一反射层902由具有不同折射率的两种不同材料的交替层组成。用于第一反射层902的交替层的堆叠可以包括第三层910和第四层912，第三层910可以由砷化镓(GaAs)构成，第四层912可以由砷化铝(AlAs)构成。在一些实施例中，第一反射层902包括40对或更多的第三层910和第四层912的交替层。在第一反射层902上方形成光学活性层904。在一些实施例中，光学活性层904包括金属，诸如铝；并且可以包含镓和/或砷化物。在一些实施例中，光学活性层904包括高浓度的铝(例如，至少98％，高达100％)，光学活性层904的剩余浓度可以是，例如，浓度为约0.5至约1.5％的的镓和/或在光学活性层904上随机分布的浓度为约0.5％至约1.5％的砷化物。在光学活性层904上方形成第二反射层906。第二反射层906包括具有不同折射率的两种不同材料的交替层。用于第二反射层906的交替层的堆叠可以包括第三层910和第四层912，第三层910可以由砷化镓(GaAs)构成，第四层912可以由砷化铝(AlAs)构成。在第二反射层906上方形成掩模层112。例如，通过使用光刻对掩模层112进行图案化，以覆盖第二反射层906的第一部分并且使第二反射层906的牺牲部分908暴露。
如图10的横截面图1000所示，执行蚀刻工艺1002以蚀刻第二反射层906并且去除牺牲部分908以限定第二反射器110。蚀刻工艺1002包括执行第一蚀刻工艺以去除第三层910的牺牲部分，从而限定第一层202，并且使用第二不同的蚀刻工艺去除第四层912的牺牲部分，限定第二层204。重复第一蚀刻工艺与第二蚀刻工艺之间的交替，直到暴露出光学活性层904的上表面。一些实施例中，第一蚀刻工艺涉及垂直蚀刻或具有第一蚀刻剂的各向异性蚀刻。在一些实施例中，第二蚀刻工艺涉及各向同性蚀刻或湿蚀刻。在一些实施例中，第一蚀刻剂是与第二蚀刻剂不同的化学物质。
在一些实施例中，第一蚀刻最初使第三层910具有基本垂直的侧壁，然后第二蚀刻使第三层910的这些侧壁倾斜和/或凹陷，并且还使第四层912的侧壁倾斜和/或凹陷。在一些实施例中，第二蚀刻工艺在第四层912上蚀刻比第一蚀刻工艺在第三层910上蚀刻的横向材料更多的横向材料。这导致第一层202的最外侧壁具有比第二层204的侧壁(未示出)的最外侧更大的最大宽度。在一些实施例中，迭代地使用上述工艺通过第二反射器110中的每对来传播。这使得对206的第一对具有比对206的第二对(未示出)的最大宽度更大的最大宽度。第一对位于第二对之上。
如图11的横截面图1100所示，在光学活性层904和掩模层112上方形成第一间隔件层1102。第一间隔件层1102覆盖第二反射器110的外侧壁和掩模层112的外侧壁。在一些实施例中，第一间隔件层1102包括氮化物，诸如氮化钛或氮化硅，其形成的厚度在约750微米和约1000微米之间的范围内。
如图12的横截面图1200所示，通过将第一间隔件层1102暴露于蚀刻剂1204(例如，垂直或各向异性蚀刻，诸如等离子体蚀刻)以限定第一间隔件116来去除第一间隔件层1102的一部分。第一间隔件116覆盖掩模层112的外侧壁和第二反射器110的外侧壁。第一间隔件116的下表面接触光学活性层904的上表面。
如图13的横截面图1300所示，在光学活性层904上执行热氧化工艺1304。该热氧化工艺使光学活性层904的中心区107未被氧化，并且限定光学活性层904的氧化的外围区1302。氧化的外围区1302在第一间隔件116下方和第二反射器110下方延伸。因此，光学活性层904的氧化的外围区1302的最内侧壁在第二反射器110的最外侧壁的下方和内部延伸。光学活性层904的氧化的外围区1302的最内侧壁与光学活性层904的中心区107的最外侧壁直接接触。在一些实施例中，中心区107未被氧化。
如图14的横截面图1400所示，执行蚀刻工艺1402以蚀刻光学活性层904以限定光学活性区106并且蚀刻第一反射层902以限定第一反射器104。蚀刻工艺1402包括执行第三蚀刻工艺以去除光学活性层904的一部分，限定光学活性区域106。然后，在去除第三层910的一部分从而限定第一层202的第一蚀刻工艺和去除第四层912的一部分从而限定第二层204的第二蚀刻工艺之间交替。重复第一蚀刻工艺和第二蚀刻工艺之间的交替，直到衬底102的上表面暴露。在一些实施例中，第一蚀刻工艺涉及利用第一蚀刻剂的垂直蚀刻或各向异性蚀刻。在一些实施例中，第二蚀刻工艺涉及使用第二蚀刻剂的各向同性蚀刻或湿蚀刻。在一些实施例中，第二蚀刻剂是与第一蚀刻剂不同的化学物质。
在一些实施例中，第一蚀刻最初使第三层910具有基本垂直的侧壁，然后第二蚀刻使第三层910的侧壁倾斜和/或凹陷，并且还使第四层912的侧壁倾斜和/或凹陷。在一些实施例中，第二蚀刻工艺在第四层912上蚀刻比第一蚀刻工艺在第三层910上蚀刻的横向材料更多的横向材料。这导致第一层202的最外侧壁具有比第二层204(未示出)的最外侧壁更大的最大宽度。在一些实施例中，以上工艺通过第一反射器104中的所有对来传播。这使得对206的第一对的最大宽度大于对206的第二对(未示出)的最大宽度。第一对位于第二对之上。
如图15的截面图1500所示，在掩模层112、第一间隔件116、和衬底102上方形成第二间隔件层1502。第二间隔件层1502覆盖第一间隔件116的最外侧壁、光学活性区106的最外侧壁、以及第一反射器104的最外侧壁。在一些实施例中，第二间隔件层1502包括氮化物，诸如氮化钛或氮化硅，并且其形成的厚度在约750微米和约1000微米之间的范围内。
如图16的横截面图1600所示，通过第二间隔件层1502暴露于蚀刻剂1602以限定第二间隔件118来去除第二间隔件层1502的一部分。第二个间隔件118覆盖第一间隔件116的最外侧壁、光学活性区106的最外侧壁、以及第一反射器104的最外侧壁。第二间隔件118的下表面接触衬底102的上表面。在掩模层112上方形成电极114。在一些实施例中，电极114包括穿过电极114的中心，暴露出掩模层112的上表面的孔口。在一些实施例中，电极114包括铜、铁、钴、镍、钛等。
图17示出了根据一些实施例的形成VCSEL器件的方法1700。虽然方法1700被示出和/或描述为一系列动作或事件，但是应当理解，该方法不限于所示的一个顺序或多个动作。因此，在一些实施例中，动作可以以不同于所示的顺序执行，和/或可以同时执行。此外，在一些实施例中，所示出的动作或事件可以被细分为多个动作或事件，其可以在不同的时间执行或者与其他动作或子动作同时执行。在一些实施例中，可以省略一些示出的动作或事件，并且可以包括其他未示出的动作或事件。
在1702处，在衬底上方形成第一反射层。图9示出了对应于动作1702的一些实施例的横截面图900。
在1704处，在第一反射层上方形成光学活性层。图9示出了对应于动作1704的一些实施例的横截面图900。
在1706处，在光学活性层上方形成第二反射层。图9示出了对应于动作1706的一些实施例的横截面图900。
在1708处，在第二反射层上方形成掩模层。图9示出了对应于动作1708的一些实施例的横截面图900。
在1710处，去除第二反射层的一部分，限定第二反射器并且暴露出光学活性层的上表面。图10示出了对应于动作1710的一些实施例的横截面图1000。
在1712处，形成第一间隔件，覆盖第二反射器的最外侧壁和掩模层的最外侧壁。图11和图12示出了对应于动作1712的一些实施例的横截面图1100和横截面图1200。
在1714处，在光学活性层的外围区中形成氧化物。图13示出了对应于动作1714的一些实施例的横截面图1300。
在1716处，去除光学活性层的一部分，限定光学活性区并且去除第一反射层的一部分，限定第一反射器。图14示出了对应于动作1716的一些实施例的横截面图1400。
在1718处，形成第二间隔件，覆盖第一间隔件的外侧壁、光学活性区的外侧壁和第一反射器的外侧壁。图15和图16示出了对应于动作1718的一些实施例的横截面图1500和横截面图1600。
在1720处，在掩模层上方形成电极，其中电极包括穿过电极中心的孔口。图16示出了对应于动作1720的一些实施例的横截面图1600。
因此，在一些实施例中，本公开涉及一种形成VCSEL器件的方法，该方法执行氧化工艺以在光学活性区中产生氧化物并且在第一反射器和第二反射器中不形成氧化物。
在一些实施例中，本公开涉及一种用于制造垂直腔表面发射激光的方法。该方法包括形成在第一反射层上方设置的光学活性层；形成在该光学活性层上方设置的第二反射层；形成在第二反射层上方设置的掩模层，该掩模层覆盖第二反射层的反射器区，掩模层使第二反射层的牺牲部分暴露；执行第一蚀刻工艺以去除第二反射层的牺牲部分，限定第二反射器和暴露出光学活性层的上表面；形成覆盖第二反射器的外侧壁和掩模层的外侧壁的第一间隔件，第一间隔件的下表面接触光学活性层的上表面；第一间隔件在合适的位置进行氧化工艺以氧化光学活性层的外围区，同时保持光学活性层的中心区未被氧化；执行第二蚀刻工艺以去除氧化的外围区的一部分，限定光学活性区并且去除第一反射层的一部分，从而限定第一反射器；形成第二间隔件，以覆盖第一间隔件的外侧壁、氧化的外围区的剩余部分的外侧壁、以及第一反射器的外侧壁。
在一些实施例中，本公开涉及一种垂直表面发射激光(VCSEL)结构。在第一电极上设置的衬底；在衬底上方设置的第一反射器；在第一反射器上方设置的光学活性区，第一反射器和光学活性区具有对齐的外侧壁；光学活性区上方设置的第二反射器，光学活性区光学耦合到第一反射器和第二反射器；在第二反射器上方设置的掩模层；在掩模层上方设置的第二电极，第二电极包含穿过第二电极中心，暴露出掩模层的上表面的孔口；第一间隔件覆盖第二反射器的外侧壁，第一间隔件的下表面接触光学活性区的上表面；第二间隔件覆盖第一间隔件的外侧壁、光学活性区的外侧壁、和第二反射器的外侧壁。
在一些实施例中，本公开涉及一种垂直表面发射激光(VCSEL)结构。第一反射器设置在衬底上方，第一反射器包括第一砷化铝层，以及在第一砷化铝层上方堆叠的第一砷化镓层；第一反射器上方的光学活性区，光学活性区包括中心区和围绕中心区的外围区，中心区包括铝，并且外围区包括氧化铝，外围区具有与第一反射器的外侧壁对齐的外侧壁；在光学活性区上方设置第二反射器，第二反射器包括第二砷化铝层，以及在第二砷化铝层上方堆叠的第二砷化镓层，光学活性区光学耦合到第一反射器和第二反射器；在第二反射器上方设置的掩模层；在掩模层上方设置的第二电极，第二电极包含穿过第二电极中心，暴露出掩模层的上表面的孔口；第一间隔件覆盖第二反射器的外侧壁，第一间隔件的下表面接触光学活性区的外围区的上表面，第一间隔件的内侧壁直接接触第二反射器的外侧壁而没有任何氧化材料将第一间隔件与第二反射器；第二间隔件覆盖第一间隔件的外侧壁、光学活性区的外围区的外侧壁、以及第二反射器的外侧壁分开。
根据本发明的实施例，提供了一种用于制造垂直腔表面发射激光的方法，包括：在第一反射层上方形成光学活性层；在所述光学活性层上方形成第二反射层；在所述第二反射层上方形成掩模层，其中所述掩模层覆盖所述第二反射层的反射器区，其中所述掩模层使所述第二反射层的牺牲部分暴露出；执行第一蚀刻工艺以去除所述第二反射层的所述牺牲部分，限定第二反射器并且暴露出所述光学活性层的上表面；形成覆盖所述第二反射器的外侧壁和所述掩模层的外侧壁的第一间隔件，其中所述第一间隔件的下表面接触所述光学活性层的上表面；在所述第一间隔件在适当位置中执行氧化工艺以氧化所述光学活性层的外围区，同时使所述光学活性层的中心区未氧化；执行第二蚀刻工艺以去除氧化的所述外围区的一部分，限定光学活性区并且去除所述第一反射层的一部分，限定第一反射器；以及形成覆盖所述第一间隔件的外侧壁的、氧化的所述外围区的剩余部分的外侧壁的、以及所述第一反射器的外侧壁的第二间隔件。
根据本发明的实施例，其中在所述第二蚀刻工艺之后，所述第一反射器的外侧壁和所述光学活性区的外侧壁对齐，其中所述第一反射器和所述光学活性区的最大宽度大于所述第二反射器的最大宽度。
根据本发明的实施例，其中所述第一间隔件的内侧壁包括与所述第二反射器中的多个凹槽接合的第一多个突起，其中所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一间隔件的外侧壁中的第二多个凹槽接合的第二多个突起。
根据本发明的实施例，其中所述第一多个突起和所述第二多个突起由半圆组成。
根据本发明的实施例，其中所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一反射器和所述光学活性区中的第三多个凹槽接合的第三多个突起。
根据本发明的实施例，其中所述第一反射器和第二反射器由具有不同折射率的两种不同材料的交替层的堆叠组成。
根据本发明的实施例，其中所述交替层的堆叠包括第一层和第二层，其中所述第一层包括砷化铝(AlAs)，并且其中所述第二层包括砷化镓(GaAs)。
根据本发明的实施例，其中所述第二间隔件的外侧壁具有多个凹槽。
根据本发明的实施例，其中所述第一间隔件的内侧壁与所述第二反射器的外侧壁直接接触，并且其中所述第二间隔件的内侧壁与所述光学活性区的外侧壁和所述第一反射器的外侧壁直接接触。
根据本发明的实施例，其中所述第一反射器和所述第二反射器不包含氧化物。
根据本发明的实施例，还提供了一种垂直腔表面发射激光(VCSEL)结构，包括：在第一电极上方设置的衬底；在所述衬底上方设置的第一反射器；在所述第一反射器上方的光学活性区，其中所述第一反射器和所述光学活性区具有对齐的外侧壁；在所述光学活性区上方设置的第二反射器，其中所述光学活性区光学耦合到所述第一反射器和所述第二反射器；在所述第二反射器上方设置的掩模层；在所述掩模层上方设置的第二电极，其中所述第二电极包含穿过所述第二电极的中心暴露出所述掩模层的上表面的孔口；覆盖所述第二反射器的外侧壁的第一间隔件，其中，所述第一间隔件的下表面接触所述光学活性区的上表面；以及覆盖所述第一间隔件的外侧壁的、所述光学活性区的外侧壁的、和所述第一反射器的外侧壁的第二间隔件。
根据本发明的实施例，其中所述光学活性区的一部分包括氧化层，其中所述氧化层在所述光学活性区的外侧壁上开始。
根据本发明的实施例，其中所述第一间隔件的内侧壁包括与所述第二反射器中的多个凹槽接合的第一多个突起，其中所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一间隔件的外侧壁中的第二多个凹槽接合的第二多个突起。
根据本发明的实施例，其中所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一反射器和所述光学活性区中的第三多个凹槽接合的第三多个突起，并且其中所述第二间隔件的外侧壁包括多个凹槽。
根据本发明的实施例，其中所述第一反射器和所述第二反射器由具有不同折射率的两种不同材料的交替层的堆叠组成，其中所述交替层的堆叠包括第一层和第二层，其中，所述第一层包含砷化铝(AlAs)，并且其中所述第二层包含砷化镓(GaAs)，其中所述第二层具有比所述第一层更大的最大宽度，并且其中所述第一层堆叠在所述第二层的顶部上。
根据本发明的实施例，其中所述第一间隔件和所述第二间隔件由同一材料构成。
根据本发明的实施例，其中所述第一间隔件的内侧壁与所述第二反射器的外侧壁直接接触，其中所述第二间隔件的内侧壁与所述光学活性区的外侧壁和所述第一反射器的外侧壁直接接触。
根据本发明的实施例，还提供了一种集成电路，包括：在第一电极上方设置的衬底；在所述衬底上方设置的第一反射器，其中所述第一反射器包括第一砷化铝层，以及在所述第一砷化铝层上方堆叠的第一砷化镓层；在所述第一反射器上方的光学活性区，所述光学活性区包括中心区和围绕所述中心区的外围区，所述中心区包括铝，并且所述外围区包括氧化铝，其中，所述外围区具有与所述第一反射器的外侧壁对齐的外侧壁；在所述光学活性区上方设置的第二反射器，其中所述第二反射器包括第二砷化铝层和在所述第二砷化铝层上方堆叠的第二砷化镓层，其中，所述光学活性区光学耦合到所述第一反射器和所述第二反射器；在所述第二反射器上方设置的掩模层；在所述掩模层上方设置的第二电极，其中所述第二电极包含穿过所述第二电极的中心暴露出所述掩模层的上表面的孔口；覆盖所述第二反射器的外侧壁的第一间隔件，其中，所述第一间隔件的下表面接触所述光学活性区的所述外围区的上表面；其中，所述第一间隔件的内侧壁直接接触所述第二反射器的外侧壁而没有任何氧化材料将所述第一间隔件与所述第二反射器分开；以及覆盖所述第一间隔件的外侧壁的、所述光学活性区的所述外围区的外侧壁的、和所述第一反射器的外侧壁的第二间隔件。
根据本发明的实施例，其中，所述第一间隔件的内侧壁包括与所述第二反射器中的多个凹槽直接接触的第一多个突起，其中，所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一间隔件的外侧壁中的第二多个凹槽直接接触的第二多个突起。
根据本发明的实施例，其中，所述第一间隔件和所述第二间隔件由相同材料构成。
应当理解，在该书面描述中以及在下面的权利要求中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是用于易于描述以区分附图或一系列附图的不同元件。这些术语本身并不意味着这些元件的任何时间顺序或结构接近度，并且不旨在描述不同示出的实施例和/或未示出的实施例中的对应元件。例如，结合第一附图描述的“第一介电层”可以不一定对应于结合另一附图描述的“第一介电层”，并且可以不一定对应于未示出的实施例中的“第一介电层”。
以上概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本公开的各方面。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改其他工艺和结构的基础，以实现相同的目的和/或实现本文引用的实施例的相同优点。本领域技术人员还应该认识到，这样的等同构造不脱离本公开的精神和范围，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，它们可以在本文中进行各种改变、替换、和变更。

Claims (20)

1.一种用于制造垂直腔表面发射激光的方法，包括：
在第一反射层上方形成光学活性层；
在所述光学活性层上方形成第二反射层；
在所述第二反射层上方形成掩模层，其中所述掩模层覆盖所述第二反射层的反射器区，其中所述掩模层使所述第二反射层的牺牲部分暴露出；
执行第一蚀刻工艺以去除所述第二反射层的所述牺牲部分，限定第二反射器并且暴露出所述光学活性层的上表面；
形成覆盖所述第二反射器的外侧壁和所述掩模层的外侧壁的第一间隔件，其中所述第一间隔件的下表面接触所述光学活性层的上表面；
在所述第一间隔件在适当位置中执行氧化工艺以氧化所述光学活性层的外围区，同时使所述光学活性层的中心区未氧化；
执行第二蚀刻工艺以去除氧化的所述外围区的一部分，限定光学活性区并且去除所述第一反射层的一部分，限定第一反射器；以及
形成覆盖所述第一间隔件的外侧壁的、氧化的所述外围区的剩余部分的外侧壁的、以及所述第一反射器的外侧壁的第二间隔件，
其中，所述第一间隔件的内侧壁包括与所述第二反射器中的多个凹槽接合的第一多个突起。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二蚀刻工艺之后，所述第一反射器的外侧壁和所述光学活性区的外侧壁对齐，其中所述第一反射器和所述光学活性区的最大宽度大于所述第二反射器的最大宽度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一间隔件的外侧壁中的第二多个凹槽接合的第二多个突起。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一多个突起和所述第二多个突起由半圆组成。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一反射器和所述光学活性区中的第三多个凹槽接合的第三多个突起。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一反射器和第二反射器由具有不同折射率的两种不同材料的交替层的堆叠组成。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述交替层的堆叠包括第一层和第二层，其中所述第一层包括砷化铝(AlAs)，并且其中所述第二层包括砷化镓(GaAs)。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二间隔件的外侧壁具有多个凹槽。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一间隔件的内侧壁与所述第二反射器的外侧壁直接接触，并且其中所述第二间隔件的内侧壁与所述光学活性区的外侧壁和所述第一反射器的外侧壁直接接触。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一反射器和所述第二反射器不包含氧化物。
11.一种垂直腔表面发射激光结构，包括：
在第一电极上方设置的衬底；
在所述衬底上方设置的第一反射器；
在所述第一反射器上方的光学活性区，其中所述第一反射器和所述光学活性区具有对齐的外侧壁；
在所述光学活性区上方设置的第二反射器，其中所述光学活性区光学耦合到所述第一反射器和所述第二反射器；
在所述第二反射器上方设置的掩模层；
在所述掩模层上方设置的第二电极，其中所述第二电极包含穿过所述第二电极的中心暴露出所述掩模层的上表面的孔口；
覆盖所述第二反射器的外侧壁的第一间隔件，其中，所述第一间隔件的下表面接触所述光学活性区的上表面，其中，所述第一间隔件的内侧壁包括与所述第二反射器中的多个凹槽接合的第一多个突起；以及
覆盖所述第一间隔件的外侧壁的、所述光学活性区的外侧壁的、和所述第一反射器的外侧壁的第二间隔件。
12.根据权利要求11所述的垂直腔表面发射激光结构，其中所述光学活性区的一部分包括氧化层，其中所述氧化层在所述光学活性区的外侧壁上开始。
13.根据权利要求11所述的垂直腔表面发射激光结构，其中所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一间隔件的外侧壁中的第二多个凹槽接合的第二多个突起。
14.根据权利要求13所述的垂直腔表面发射激光结构，其中所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一反射器和所述光学活性区中的第三多个凹槽接合的第三多个突起，并且其中所述第二间隔件的外侧壁包括多个凹槽。
15.根据权利要求11所述的垂直腔表面发射激光结构，其中所述第一反射器和所述第二反射器由具有不同折射率的两种不同材料的交替层的堆叠组成，其中所述交替层的堆叠包括第一层和第二层，其中，所述第一层包含砷化铝(AlAs)，并且其中所述第二层包含砷化镓(GaAs)，其中所述第二层具有比所述第一层更大的最大宽度，并且其中所述第一层堆叠在所述第二层的顶部上。
16.根据权利要求11所述的垂直腔表面发射激光结构，其中所述第一间隔件和所述第二间隔件由同一材料构成。
17.根据权利要求11所述的垂直腔表面发射激光结构，其中所述第一间隔件的内侧壁与所述第二反射器的外侧壁直接接触，其中所述第二间隔件的内侧壁与所述光学活性区的外侧壁和所述第一反射器的外侧壁直接接触。
18.一种集成电路，包括：
在第一电极上方设置的衬底；
在所述衬底上方设置的第一反射器，其中所述第一反射器包括第一砷化铝层，以及在所述第一砷化铝层上方堆叠的第一砷化镓层；
在所述第一反射器上方的光学活性区，所述光学活性区包括中心区和围绕所述中心区的外围区，所述中心区包括铝，并且所述外围区包括氧化铝，其中，所述外围区具有与所述第一反射器的外侧壁对齐的外侧壁；
在所述光学活性区上方设置的第二反射器，其中所述第二反射器包括第二砷化铝层和在所述第二砷化铝层上方堆叠的第二砷化镓层，其中，所述光学活性区光学耦合到所述第一反射器和所述第二反射器；
在所述第二反射器上方设置的掩模层；
在所述掩模层上方设置的第二电极，其中所述第二电极包含穿过所述第二电极的中心暴露出所述掩模层的上表面的孔口；
覆盖所述第二反射器的外侧壁的第一间隔件，其中，所述第一间隔件的下表面接触所述光学活性区的所述外围区的上表面；其中，所述第一间隔件的内侧壁直接接触所述第二反射器的外侧壁而没有任何氧化材料将所述第一间隔件与所述第二反射器分开；以及
覆盖所述第一间隔件的外侧壁的、所述光学活性区的所述外围区的外侧壁的、和所述第一反射器的外侧壁的第二间隔件，
其中，所述第一间隔件的内侧壁包括与所述第二反射器中的多个凹槽直接接触的第一多个突起。
19.根据权利要求18所述的集成电路，其中，所述第二间隔件的内侧壁包括与所述第一间隔件的外侧壁中的第二多个凹槽直接接触的第二多个突起。
20.根据权利要求18所述的集成电路，其中，所述第一间隔件和所述第二间隔件由相同材料构成。
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