CN111029905A - 一种整片制作边发射光器件的排版结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整片制作边发射光器件的排版结构，边发射光器件单元中的脊形波导与刻蚀凹槽，在横向两者为等距交叉排列，在纵向两者为非等距互补交叉排列。本发明提高了光器件的制作密度，减少了光器件单元对面反射光对在线检测数据的干扰和镀膜设备离子源与光器件端面法线之间的倾角。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件设计制作领域技术领域，具体涉及一种整片制作边发射光器件的排版结构。
背景技术
长期以来，边发射光器件不能向面发射光器件那样，实现整片检测和筛选。主要原因是边发射光器件的出光方向在侧面，不能向面发射光器件那样，将光信息发送至晶圆片表面而被检测仪直接检测。所以在完成金属化工艺之后，边发射光器件都需要解理成巴条，排列到治具上，在镀膜腔室内对巴条的两个解理端面分别镀膜后，才能对光器件单元作性能检测和筛选。因而与面发射光器件相比，边发射光器件的制作工艺复杂繁琐，价格高。
针对边发射光器件的问题，在美国专利US2007047609中，D.A.Francis等人提出了一种制作倒直三角形坑斜面技术，将边发射激光器发出的水平光经三角形斜面反射转换成垂直光，实现了在晶圆片表面对激光器性能的在线检测；P. Vettiger等开发了端面刻蚀技术，利用干法刻蚀端面替代自然解理面（IEEE, J. of Quantum Electronics, Vol. 27,P.1319, 1991）；美国专利US 2012/0142123中，A.Behfar等人利用AlGaInN边发射激光器端面刻蚀技术（EFT），在出光端面刻蚀凹槽，将边发射激光器垂直发散角内的部分激光引至晶圆片表面，被探测仪接收而实现在线检测；美国宾奥普迪克斯股份有限公司亦在中国获得了相关技术的授权（CN101578744 B)。
上述专利技术虽然能进行整片在线检测，但激光器之间的三角形坑和凹槽占据了晶圆片的有效空间，使激光器的制作密度减小；由于凹槽不能太长，光器件单元对面的反射光会对在线检测数据形成干扰；镀膜设备离子源与光器件端面法线之间的倾角较大，影响端面镀膜的质量；还有凸出的脊形波导结构，使器件在背面减薄工艺中极易受损，影响器件的成品率。
发明内容
针对以上问题，本发明提出了一种整片制作边发射光器件的排版结构，将光器件单元的脊形波导与引发散光至表面的刻蚀凹槽，在横向作等距交叉排列，而在纵向作非等距交叉排列。这样尽管刻蚀凹槽的长度与光器件单元的长度等长，却丝毫不影响光器件的制作密度；并且在实际制作过程中，将刻蚀凹槽的底部作成减反射面后，减少了凹槽的刻蚀深度，这样既减少了光器件单元对面和底面反射光对在线测试的影响，也减少了镀膜设备离子源与光器件端面法线之间的倾角；双沟脊形波导结构又将光波导隐藏在晶圆平面层以内，避免了脊形波导在后续工艺中易受损伤的问题。
为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种整片制作边发射光器件的排版结构，包括边发射光器件单元，边发射光器件单元中的脊形波导与刻蚀凹槽，两者在横向为等距交叉排列，在纵向两者为非等距互补交叉排列。
所述横向为与边发射光器件单元的腔长平行的水平方向，纵向为与腔长垂直的方向；边发射光器件单元在横向以其腔长L为周期，在纵向以其宽度W为周期。
所述脊形波导包括掩埋波导；所述掩埋波导位于晶圆平面表层的双沟之中，脊形波导在横向以边发射光器件单元的腔长L为周期排列，在纵向，两列脊形波导错开距离w1排列。
所述刻蚀凹槽在横向以边发射光器件单元的腔长L为周期排列，在纵向，两列刻蚀凹槽错开距离w2排列，且w2=W-w1，即与脊形波导在宽度周期内形成互补。
所述脊形波导嵌在双沟之中，且与边发射光器件单元等长；脊形波导的宽度为2-6μm，高度为1.5-2.0μm，双沟的沟宽为4-10μm，沟深为脊形波导的高度。
所述刻蚀凹槽的横截面为长方形，与边发射光器件单元的腔长L等长，宽度为40-80μm、深度为4-5μm，刻蚀凹槽的深度穿透边发射光器件单元的有源层，刻蚀凹槽的纵向的两侧内壁为垂直镜面，并分别为左右两个边发射光器件单元的出光端面和背光端面，刻蚀凹槽的底部为减反射面。
所述边发射光器件单元的解理以腔长为周期，先沿纵向在边发射光器件单元端面处切割、解理出光器件单元阵列条，再沿横向在刻蚀凹槽内切割、裂解出边发射光器件单元。
所述边发射光器件单元包括在InP（磷化铟）、GaAs（砷化镓）、GaN（氮化镓）、SiC（碳化硅）、AlN（氮化铝）或ZnO（氧化锌）衬底上制作的FP（法布里腔）激光器、DFB（分布反馈）激光器、LED（发光二极管）、SLD（超辐射发光二极管）、波长可调谐激光器或SOA（半导体光放大器）及其集成器件等。
本发明的有益效果：
本发明中边发射光器件单元的脊形波导和刻蚀凹槽相互交叉排列，刻蚀凹槽的长度和光器件单元的腔长等长，刻蚀凹槽的底部为减反射面，脊形波导嵌在晶圆平面层的双沟之中，其主要特点为：1. 尽管刻蚀凹槽的长度与光器件单元长度等长，但丝毫不影响光器件的制作密度；2.最大限度减少了光器件单元的对面和底面反射光对在线检测数据的干扰；3.减少了端面镀膜设备离子源与端面法线之间的倾角；4.很好地保护了光器件单元的脊形波导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的排版结构示意图。
图2为电极焊接点朝上的边发射光器件单元的示意图。
图3为电极焊接点朝下的边发射光器件单元的示意图。
图4为图1的A-A侧视剖视图。
图5为图1的B-B'剖视图。
图6为端面镀膜倾角与刻蚀凹槽长度和深度的关联示意图。
图7为表面探测仪接收光器件发光量与刻蚀凹槽长度的关联示意图。
图中，1为边发射光器件单元，2为刻蚀凹槽，3为脊形波导，4为双沟，5为有源层，6为出光端面，7为背光端面，8为减反射面，9为方向标记和编码，10为表面探测仪，61为减反射膜，71为高反射膜，L为光器件单元或刻蚀凹槽的长度，W为光器件单元的宽度，w1和w2为刻蚀凹槽与脊形波导之间的两段非对称距离，H为刻蚀凹槽的深度，h为双沟的深度或脊形波导的高度，h1为光器件有源层中心至脊形波导顶层的高度，θ为镀膜离子源出射方向与光器件单元端面法线之间的夹角，θ1为光器件单元远场垂直发散半角，θ2为被脊形波导挡住的远场发散光部分，θ3为表面探测仪接收到的远场发散光部分。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种整片制作边发射光器件的排版结构，其中边发射光器件单元1中的脊形波导3与作为引发散光至表面的刻蚀凹槽2，具有如附图1所示特征，在纵向，脊形波导3与刻蚀凹槽2为非等距互补交叉排列，纵向周期为边发射光器件单元1的宽度W；在横向，脊形波导3与刻蚀凹槽2为等距交叉排列，横向周期为腔长L，且一列脊形波导3正对一列刻蚀凹槽2，一列刻蚀凹槽2正对另一列的脊形波导3。
所述边发射光器件单元1如附图2和附图3所示，脊形波导3嵌在双沟4的中间，脊顶与外延平面层处在同一水平面内；脊形波导3的宽度为2-6μm，高度h为1.5-2.0μm；双沟4的宽度为4-10μm、深度为脊形波导3的高度h。
所述刻蚀凹槽2如附图4和附图5的剖面所示，刻蚀凹槽2的长度L与边发射光器件单元1等长、宽度为40-80μm、深度H为4-5μm的凹沟槽，刻蚀凹槽2的深度H穿透边发射光器件单元1的有源层5；刻蚀凹槽2的底部制作有由密集椎体构成的减反射面8，椎体高度为50-100nm，以完全抑制底部的反射光；刻蚀凹槽2两侧的与水平方向垂直的内侧壁为垂直镜面，分别为左右光器件单元1的出光端面6和背光端面7，且出光端面6上蒸镀减反射膜61，背光端面7上蒸镀高反射膜71。所述减反射膜61的反射系数为0.1%~1%，所述高反射膜71的反射系数为75%~95%。
蒸发介质膜设备的离子源出射方向与边发射光器件单元1的端面法线之间具有夹角θ。如附图6所示，夹角θ= arctan(H/L)，为刻蚀凹槽2的深度H和长度L的函数。深度H越浅，长度L越长，则夹角θ就越小，偏离正常水平端面镀膜条件就越少。在本发明交叉排列结构中，刻蚀凹槽2的长度与边发射光器件单元1的腔长L一致，达到了最大；且由于刻蚀凹槽2的底部制作有减反射椎体8，所以刻蚀凹槽2的深度H只要达到4-5μm即可。如此，按照本发明结构制作的边发射光器件，整片端面镀膜时的离子源出射方向与光器件端面法线之间的夹角θ相对于背景技术中的要小很多，因而镀膜的质量更容易得到保障。
在边发射光器件的整片在线自动测试中，当给激光器外加正常偏压的情况下，边发射光器件单元1通过出光端面6的减发射膜61输出激光光束，表面探测仪10能接收到的激光光束是其远场发散光的垂直部分，如图7所示。边发射光器件单元1的远场垂直发散半角θ1=θ2+θ3，表面探测仪10能接收到的光信息量与发散角θ3成正比，θ3=θ1-θ2 =θ1- arctan(h1/L) ，其中h1为光器件有源层5中心至脊形波导3顶层的高度，对既定的晶圆片而言，h1和θ1基本固定，则θ3 仅与刻蚀凹槽2的长度L相关。L越长，θ3越大，表面探测仪10能接收到的光信息量越多。即按照本发明结构制作边发射光器件，表面探测仪10能接收到的光信息量最大，所以在线测试的数据更为准确。
本实施例中，以腔长L=150μm，宽W=210μm的InP基25G分布反馈（DFB）激光器为例，其整片制作的排版结构如图1所示。在纵向，边发射激光器单元1的周期为W=210μm，刻蚀凹槽2与脊形波导3之间为非等距互补交叉排列，即刻蚀凹槽2中心至上下两个激光器单元的脊形波导3之间的距离为非等间距，具体尺寸w1/W=1/3，即w1=70μm，w2=140μm；在横向，脊形波导3与刻蚀凹槽2为等距交叉排列，周期为激光器单元的腔长L=150μm，且一列脊形波导3正对一列刻蚀凹槽2，一列刻蚀凹槽2正对另一列的脊形波导3；刻蚀凹槽2的长度L为150μm、宽度为60μm、深度为4μm；刻蚀凹槽2的底部为减反射面8，这是在干法刻蚀凹槽2的最后阶段，通过降低刻蚀功率和刻蚀速率，并在干法刻蚀反应室气源中掺入微量的氧气，而在凹槽2底部形成的约50nm高度的密集椎体减反射面。干法刻蚀凹槽2时，晶圆片在左右水平方向分别倾斜很小的角度，使刻蚀凹槽2的与水平方向垂直的两侧内壁为垂直镜面，它们分别为左右两激光器单元的出光端面6和背光端面7；激光器的脊形波导3嵌在双沟4之间，脊形波导3的宽度为2.2μm、高度为1.8μm；双沟4的宽度为7μm、深度为1.8μm，激光器单元上设有方向标记和编码9，箭头所指为出光端面6。
整片端面镀膜参见附图6，此时蒸发介质膜设备的离子源出射方向与激光器端面法线之间的倾角θ=arctan(H/L)=arctan(4/150)=1.53度，角度很小，与通常的水平蒸镀介质膜差别小。先在背光端面7蒸镀90%的高反射膜71，再翻转晶圆，在出光端面6蒸镀0.1-1%的减反射膜61。
整片在线测试参见附图7，表面探测仪10能接收到的发散光部分θ3=θ1-θ2 =θ1-arctan(h1/L)= θ1-arctan(2/150)=θ1-0.76度。可见，即使DFB激光器腔长短至150μm，表面探测仪10接收到的光信息角度也只与激光器的垂直发散半角相差0.76度。由此，测试数据通过计算机处理校准后，即能按照性能等级，对整片的DFB激光器单元进行分类筛选。
最后将整片制作的DFB激光器芯片先沿纵向在激光器单元的端面6和7处切割、解理出激光器单元的阵列条，再沿横向在刻蚀凹槽2内将阵列条裂解出尺寸为150μm ×210μm的DFB激光器单元，如附图2和附图3所示。
虽然本发明只对DFB激光器的整片制作的排版结构作了说明，但本发明结构不仅限于DFB激光器，还包括FP激光器，LED、SLD、波长可调谐激光器和SOA及其集成器件，不仅适用于InP衬底，也适用于GaAs、GaN、SiC、AlN、ZnO等多种半导体材料的边发射光器件的整片制作的排版结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种整片制作边发射光器件的排版结构，其特征在于，包括边发射光器件单元（1），边发射光器件单元（1）中的脊形波导（3）与刻蚀凹槽（2），两者在横向为等距交叉排列，在纵向两者为非等距互补交叉排列。
2.根据权利要求1所述的整片制作边发射光器件的排版结构，其特征在于，所述横向为与边发射光器件单元（1）的腔长平行的水平方向，纵向为与腔长垂直的方向；边发射光器件单元（1）在横向以其腔长L为周期，在纵向以其宽度W为周期。
3.根据权利要求2所述的整片制作边发射光器件的排版结构，其特征在于，所述脊形波导（3）包括掩埋波导；所述掩埋波导位于晶圆平面表层的双沟（4）之中，脊形波导（3）在横向以边发射光器件单元（1）的腔长L为周期排列，在纵向，两列脊形波导（3）错开距离w1排列。
4.根据权利要求2或3所述的整片制作边发射光器件的排版结构，其特征在于，所述刻蚀凹槽（2）在横向以边发射光器件单元（1）的腔长L为周期排列，在纵向，两列刻蚀凹槽（2）错开距离w2排列，且w2=W-w1，即与脊形波导（3）在宽度周期内形成互补。
5.根据权利要求4所述的整片制作边发射光器件的排版结构，其特征在于，所述脊形波导（3）嵌在双沟（4）之中，且与边发射光器件单元（1）等长；脊形波导（3）的宽度为2-6μm，高度为1.5-2.0μm，双沟（4）的沟宽为4-10μm，沟深为脊形波导（3）的高度。
6.根据权利要求5所述的整片制作边发射光器件的排版结构，其特征在于，所述刻蚀凹槽（2）的横截面为长方形，与边发射光器件单元（1）的腔长L等长，宽度为40-80μm、深度为4-5μm，刻蚀凹槽（2）的深度穿透边发射光器件单元（1）的有源层（5），刻蚀凹槽（2）的纵向的两侧内壁为垂直镜面，并分别为左右两个边发射光器件单元（1）的出光端面（6）和背光端面（7），刻蚀凹槽（2）的底部为减反射面（8）。
7.根据权利要求1或6所述的整片制作边发射光器件的排版结构，其特征在于，所述边发射光器件单元（1）的解理以腔长为周期，先沿纵向在边发射光器件单元（1）端面处切割、解理出光器件单元阵列条，再沿横向在刻蚀凹槽（2）内切割、裂解出边发射光器件单元（1）。
8.根据权利要求7所述的整片制作边发射光器件的排版结构，其特征在于，所述边发射光器件单元（1）包括在InP、GaAs、GaN、SiC、AlN或ZnO衬底上制作的FP激光器单元、DFB激光器单元、LED、SLD、波长可调谐激光器或SOA单元及其集成器件。
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