CN111313230A - 底发射结构的垂直腔面发射激光器、数组及其制作方法 - Google Patents

底发射结构的垂直腔面发射激光器、数组及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种底发射结构的垂直腔面发射激光器具有一基板，第一镜单元形成于基板上，有源区形成于第一镜单元上，第二镜单元形成于有源区上。柱体通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成，且柱体曝露第一镜单元、有源区及第二镜单元的一部分，第一金属接触层形成于柱体的顶部，第二金属接触层形成于基板，开孔形成于第二金属接触层内，并与柱体对齐。本发明使垂直腔面发射激光器数组得以更密集的方式封装，从而增加在晶圆上形成的芯片数量并相应地降低芯片成本。

Description

底发射结构的垂直腔面发射激光器、数组及其制作方法
【技术领域】
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emittinglasers；VCSELs)，特别是关于一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，使垂直腔面发射激光器数组得以更密集的方式封装，从而增加在晶圆上形成的芯片数量并相应地降低芯片成本。
【背景技术】
半导体激光器被用于许多需要高功率照明的成像应用中，如用于三维成像的结构光源、激光探测和测距(LADAR)、飞时测距法(TOF)三维成像、航空防御和聚变研究等。垂直腔面发射激光器(VCSELs)由于其在低功率、高频等方面的优越性和制造上的优势，在众多半导体激光器中得到了广泛的应用。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种半导体微型激光二极管，通常以圆柱形光束发射光。光束由制造它的基板表面垂直发射。由于VCSEL中的光束从基板表面垂直发射，所以在分离成单独的器件之前，可以在晶圆上进行测试。这降低了器件的制作成本，也使得VCSEL不仅可在一维阵列中构建，而且可在二维阵列中构建。
相比于大多数边缘发射激光器，VCSEL通常具有较大的输出孔径。这使得VCSEL产生较小的输出光束发散角，且造就了与光纤的高耦合效率。相比于大多数边缘发射激光器，VCSEL还具有高反射率的镜零件，这也降低了VCSEL的阈值电流，从而降低功耗。低阈值电流也使得VCSEL具有较高的固有调制带宽。在有源区的增益带内，VCSEL的波长也可以通过调整反射层的厚度调节。
在VCSEL结构的一种类型中，形成具有相对较小的氧化孔面积的台面/柱型结构，使其能够进行高速操作。不幸的是，由于氧化物层结构的需求，很难减小VCSEL台面的尺寸。这限制了VCSEL数组的尺寸/密度，从而限制了可以在单个晶圆上制造的VCSEL器件的数量，也增加了芯片成本。
因此，期望能提供一种替代方案和方法来克服上述问题。
【发明内容】
为了克服上述习知技术的缺点，本发明提供下列各种实施例来解决上述问题。
本发明一实施例提供一种底发射结构的垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器具有一基板。第一镜单元形成于基板上。有源区形成于第一镜单元上。第二镜单元形成于有源区上。柱体通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻(directional InductiveCoupled Plasma-Reactive Ion Etcher；ICP-RIE)形成，且柱体曝露第一镜单元、有源区及第二镜单元的一部分。第一金属接触层形成于柱体的顶部。第二金属接触层形成于基板。开孔形成于第二金属接触层内，并与柱体对齐。
本发明一实施例提供一种底发射结构的垂直腔面发射激光器的制作方法。方法包括:形成第一镜单元于基板上；形成有源区于第一镜单元上；形成第二镜单元于有源区上；通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成一柱体，柱体曝露所述第一镜单元、所述有源区及所述第二镜单元的一部分；涂布第一金属接触于柱体的顶部；以及，涂布第二金属接触于基板，其中一开孔形成于所述第二金属接触内，且所述开孔与所述柱体对齐。
本发明一实施例提供一种底发射结构的垂直腔面发射激光器数组。垂直腔面发射激光器数组具有一基板。第一镜单元形成于基板上。有源区形成于第一镜单元上。第二镜单元形成于有源区上。多数个柱体通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成，每一个柱体曝露第一镜单元、有源区及第二镜单元的一部分。第一金属接触层形成于每一个柱体的顶部。第二金属接触层形成于。基板。多数个开孔形成于所述第二金属接触层内，并且每一个开孔与对应的所述柱体对齐。
【附图说明】
本发明进一步于以下附图详细说明。附图不是为了限制本发明范围，而是为了说明本发明的特定特征。相同的标号将在整个附图中使用，以参考相同或类似的器件。
图1A-图1C表示习知技术中垂直腔面发射激光器(VCSEL)的横向截面示意图。
图2是习知技术中正向结构设计的VCSEL的横向截面示意图。
图3是本发明一实施例中一种柱状底发射结构的垂直腔面发射激光器的横向截面图。
图4是本发明一实施例中将图3的垂直腔面发射激光器采用倒装配置的横向截面图。
图5是本发明一实施例中将图3的垂直腔面发射激光器采用倒装配置以供数组应用的横向截面图。
图6A是本发明一实施例中一种柱体带有浅缘的柱状底发射结构的垂直腔面发射激光器的横向截面图。
图6B是本发明一实施例中一种利用PECVD形成DBR的柱状底发射结构的垂直腔面发射激光器的横向截面图。
图7表示出习知技术中VCSEL与本发明中柱状底发射结构的垂直腔面发射激光器中，VCSEL装置彼此间空隙的比较截面图。
附图标号说明
A 有源区
10 (习知技术)VCSEL装置/数组
12 基板
14、16 DBR
18 有源区
20 埋层
26 柱状体
28 (顶部)金属接触环
30 开口
32 (底部)金属接触层
40 (本发明)VCSEL装置/数组
42 基板
44、44 DBR
48 有源区
50 柱体
52 (顶部)金属接触
53 焊料
54 (底部)金属接触
55 金属垫
56 开孔
58 (封装或散热)基板
60 浅缘
70 VCSEL数组
A 有源区
F 电流
E 蚀刻柱
I 植入物
O 氧化物
da (VCSEL阵列10)开口孔径、(VCSEL阵列40)柱体间的距离
dc (VCSEL阵列10)金属接触环宽度
dgap (VCSEL阵列10)柱状体间的距离、(VCSEL阵列40)柱体直径λ激光
【具体实施方式】
以下结合附图的描述，旨在说明本发明当前的优选实施例，并非表示构造及/或使用本发明的唯一形式。本说明书结合所示实施例阐述了用于构造和操作本发明的功能和步骤顺序。不过，应当理解，相同或等效的功能和顺序可以通过不同的实施例来实现，这些实施例也意在包含本发明揭露的精神和范围内。
本发明实施例中的垂直腔面发射激光器(VCSEL)及形成所述垂直腔面发射激光器的制作方法，不需要任何氧化物层结构来缩小内部光学孔径定义和形成，而揭露了一种具有台面/柱型结构(以下简称为柱体)的VCSEL。位在由电感耦合等离子体/反应离子蚀刻(ICP/RIE)柱体顶部的金属接触层，不需要形成空心环(即中间的开孔)来由中心开孔发射激光。这可以消除会扩展柱体尺寸的金属接触环的需求，并允许VCSEL数组以最密集的方式封装，从而增加晶圆上的芯片数量并相应地降低芯片成本。
请参考图1A-图1C，是习知技术中的三种VCSEL设计。图1A描绘出一种具有蚀刻柱(空气柱)E的VCSEL设计。当台面或柱体直径在20-50微米且不需要高频操作时，具有蚀刻柱的VCSEL结构通常用于较大的VCSEL设计。只要柱体形成，就可以形成金属接触环。
图1B描绘一种使用平面离子植入物(planar ion implant)I的VCSEL设计。由于植入物的区隔边缘“不明确”，使用平面离子植入物I的VCSEL结构通常用于较低性能的应用，例如光学鼠标。
图1C描绘一种使用砷化镓铝(AlGaAs)氧化物O蚀刻台面的VCSEL设计。使用砷化镓铝(AlGaAs)氧化物O蚀刻台面的VCSEL设计相比前面所提方法来得优越，且通常使用在速度(>1Gbs)和功能效率重要的时候。目前，绝大多数的3D传感数组采用VCSEL来制成，所述VCSEL基于25-30μm尺寸范围内的台面和约6-10μm大小的内部光学孔径(由AlGaAs氧化物O的前沿来定义)，并由AlGaAs氧化物O蚀刻台面形成。只要发射激光所通过的台面顶端由蚀刻台面形成，就可以形成金属接触环。
请参考图2，是习知技术中正向蚀刻柱VCSEL装置10的横向截面图。VCSEL装置10在基板12上形成。基板12可以是砷化镓(GaAs)基板12或类似材质。一对分布式布拉格反射镜(DBR)14及16形成在基板12上并与基板12平行。分布式布拉格反射镜14及16可以由多数个层构成。DBR14及16也可以通过设置具有不同光学阻抗交替材质的多数层来构成；一般而言，多数层是由高光学阻抗及低光学阻抗交替地形成。
有源区18可以形成于一对分布式布拉格反射镜(DBR)14及16之间。有源区18由一或多数个量子阱构成以产生激光。埋层20形成于有源区18及DBR16之间。埋层20可选择地被氧化以形成氧化开孔(未标号)。
然后，可以通过由DBR16向下蚀刻至有源区18和DBR14来形成一或多数个柱状体26。在横向限制光与电流的独立柱状体26可以采用反应离子蚀刻形成。然而，随着柱状体26的直径减小，造成柱状体26表面的光散射，这种类型的装置会遭受越来越大的光损耗。然后，顶部金属接触环28可以在柱状体26的顶部形成。金属接触环28需要有一个中心开口30才能从中发出激光λ。底部金属接触层32可以形成在基板12上。
请参考图3，是本发明实施例中一种具有柱体限制的底发射结构的垂直腔面发射激光器40(以下简称为VCSEL 40)的横向截面图。相比前面所述习知技术的设计，VCSEL 40具有多数个优点:(1)可配置倒装芯片；(2)改进的热配置；(3)提供相同输出功率的密集数组；(4)一步回流焊组装和封装工艺；(5)光刻成形的透镜可以直接形成设置在晶圆底部的开孔；(6)较低的柱体结构或蚀刻台面高度；以及(6)沉积电介质DBR取代了磊晶(epi)生长形成的DBR层，具有更高的设计灵活性及更低成本。
VCSEL装置40形成在基板42上。基板42可以是砷化镓(GaAs)基板42或类似材质。一对分布式布拉格反射镜(DBR)44及46形成在基板42上并与基板42平行。DBR 44及46可以由多数层构成。DBR 44及16也可以通过设置具有不同光学阻抗的交替材质的多数层来构成；一般而言，多数层是由高光学阻抗及低光学阻抗交替地形成。
有源区48可以形成于DBR对44及46之间。有源区48由一或多数个量子阱构成以产生激光。
一或多数个柱体50接着形成。于本实施例中，高定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻(directional Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etcher；ICP-RIE))可用于蚀刻高度各向异性的柱体50。通过使用ICP-RIE，柱体50可以具有贴近垂直侧壁的圆柱状横截面轮廓。在一实施例中，柱体50可以具有5-50um直径范围内的外型。由于湿法化学各向同性蚀刻会造成柱体50的侧壁太薄，这将在制作小尺寸VCSEL装置时出现问题；采用ICP-RIE进行蚀刻会是很重要的一环。因此，具有各向异性垂直侧壁轮廓的柱体50应采用ICP-RIE蚀刻。
然后，可以沉积顶部的金属接触52并覆盖柱体50的顶部。金属接触52不必具有环形结构来让光从中发射。在一实施例中，顶部的金属接触52可以利用或作为柱体进行ICP-RIE蚀刻的光罩，因此ICP-RIE蚀刻后，不需要额外沉积顶部的金属接触于柱体上。这将会大大简化本发明中的VCSEL数组的制作过程。
在形成顶部金属接触52及柱体50后，在其上形成VCSEL装置40的晶圆可以被翻转以形成底部的金属接触54。底部的金属接触54可具有开孔56，以让激光从VCSEL装置40的底部发射。开孔56与柱体50对齐，以利激光从VCSEL装置40的底部发射。
请参考图4，由于VCSEL装置40为了让激光由基板42的底部发射，因此需要倒装芯片的配置。VCSEL装置40可以形成于基板42上。一对分布式布拉格反射镜(DBR)44及46形成在基板42上并与基板42平行。有源区48可以形成于DBR对44及46之间。有源区48由一或多数个量子阱构成以产生激光。一或多数个柱体50接着形成。于本实施例中，高定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)可用于蚀刻高度各向异性的柱体50。通过使用ICP-RIE，柱体50可以具有贴近垂直侧壁的圆柱状横截面轮廓。在一实施例中，柱体50可以具有5-50um直径范围内的外型。柱体50形成后，顶部的金属接触52可以采用柱体进行ICP-RIE蚀刻的光罩；或者，若不这么做，则沉积顶部的金属接触52并覆盖柱体50的顶部。在沉积顶部金属接触52后，形成VCSEL装置40的晶圆可以被翻转以形成底部的金属接触54。底部的金属接触54具有开孔56，以让激光从VCSEL装置40的底部发射。
为了倒装VCSEL装置40，焊点可以放置在形成于柱体50上的金属接触52上。在一实施例中，通过电化学镀上一薄层焊料53(例如金锡合金Au-Sn)来形成焊点在柱体50的金属接触42的顶部上。其上形成VCSEL装置40的晶圆可以被倒置，以便焊料53与封装或散热基板58的金属垫55接合。根据一实施例，焊料53通过炉中回流焊过程(furnace-based solderre-flow process)与金属垫55接合。
VCSEL装置40得以让额外的设计特征，例如光刻成形的聚焦或衍射或结构透镜等设置在晶圆底部，其中底部金属开孔得以发射激光。通过不同的镜头设计，这项特征将为VCSEL用户提供校准、定向、聚焦和调整等从柱体50出来的激光。
请参考图5，是VCSEL装置40数组70形成在单一晶圆上。每一VCSEL装置40可以形成于基板42上。每一VCSEL装置40中，一对分布式布拉格反射镜(DBR)44及46形成在基板42上并与基板42平行。每一VCSEL装置40中，有源区48形成于DBR对44及46之间。有源区48由一或多数个量子阱构成以产生激光。然后可以为每一VCSEL装置40形成一或多数个柱体50。于本实施例中，高定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE))可用于蚀刻高度各向异性的柱体50。通过使用ICP-RIE，柱体50可以具有贴近垂直侧壁的圆柱状横截面轮廓。在一实施例中，柱体50可以具有5-50um直径范围内的外型。然后，可以沉积顶部的金属接触52并覆盖每一柱体50的顶部。在形成顶部金属接触52后，在其上形成VCSEL装置40数组70的晶圆可以被翻转，为每一个VCSEL装置40形成底部的金属接触54。底部的金属接触54具有开孔56，以让激光从每一个VCSEL装置40的底部发射。
为了倒装VCSEL装置40数组70，焊点可以放置在形成于每一柱体50上的金属接触52上。在一实施例中，通过电化学镀上一薄层焊料53(例如金锡合金Au-Sn)来形成焊点在柱体50的金属接触42的顶部上。其上形成VCSEL装置40数组70的晶圆可以被倒置，以便焊料53与封装或散热基板58的金属垫55接合。根据一实施例，焊料53通过炉中回流焊过程(furnace-based solder re-flow process)与金属垫55接合。
注意的是，必须将焊料53放置在形成于每一个柱体50上的金属接触52上，以确保每一个VCSEL装置40具有良好的热接触，并且避免任何空隙。在大面积阵列下方形成的空隙可能导致不均匀的热接触，并产生局部热点。
请参考图6A中的VCSEL装置40，柱体50可能形成具有浅碟缘或浅柱状设计60(以下简称浅缘60)。浅缘60因为无需像图2所示的习知技术而形成，图2所示的习知技术蚀刻柱体并深入到DBR层14及16，并暴露出靠近有源区18的选择性配置的AlGaAs氧化物层20。因此，只需要形成具有浅缘60的柱体50以提供驱动电流通过有源区48的定向路径。这将使整个阵列结构在随后的照片和组装过程(photo and assembly processes)中更加平面化且具有机械稳定性。柱体50可以不穿透DBR46而是在有源区48处或之前停止形成。于一实施例中，柱体50的深度可以是小于约50％至75％的DBR层厚度。
在典型习知技术中的VCSEL设计，有两层各自厚度为3-5微米的DBR层，将有源区(即量子阱QW作用区)夹于其中。在习知技术的设计中，靠近有源区的AlGaAs氧化层必须通过蚀刻成柱状而暴露出来，因此可以进行后续的氧化处理。由于AlGaAs氧化层位于两个DBR层之间，所以必须形成足够深的柱状以穿透DBR层的一侧来暴露AlGaAs氧化层。然而，在本发明中，由于不需要专用的氧化层来限定光学孔径，浅柱蚀刻是足够且适用的。
请参照图6B中的VCSEL装置40，DBR 44可以由等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积形成，以取代昂贵且不可回复的磊晶(epi)生长形成的DBR层。电介质DBR 44易于沉积，并且可以在需要时重新加工和沉积。这使得本发明在提供额外的设计和性能灵活性方面具有吸引力，并且因为仅需要磊晶DBR层的底侧，同时减少了磊晶晶圆的整体成本。这可能使得VCSEL的MOCVD生长时间减少约50％，因为DBR层的生长是长晶过程中最耗时的部分。
本发明中VCSEL装置及其制作方法消除了习知技术中专用的内部氧化开孔以及正面金属接触开口的需求；因此，如图7所示VCSEL阵列40中柱体50的尺寸可以减小。其中，习知技术中VCSEL阵列10的开口孔径尺寸为“da”，顶部金属接触环的宽度或是侧边氧化深度(无论哪个较长)表示为“dc”，两个柱状体26之间的最小距离表示为“dgap”。本发明中VCSEL阵列40的柱体50直径尺寸为表示为“dgap”，两个柱体50之间的最小距离表示为“da”。从图7可以看出，习知技术中VCSEL阵列10的单元最小总距离(每一个重复的VCSEL装置)等于“da+2dc+dgap”；而本发明中VCSEL阵列40的单元最小总距离(每一个重复的VCSEL装置)等于“da+dgap”。
实际上，“da”通常大约为5-10um，与“dc”和“dgap”的距离相同。为了简单起见，假设da、dc和dgap三个长度都为10um。因此，习知技术中一维距离的VCSEL阵列10单元为40um，而在本发明设计下VCSEL阵列40单元仅为20um。由于三维传感VCSEL阵列在本质上是典型的2D阵列，因此本发明设计的芯片尺寸和密度优势将为(20/40)×(20/40)＝0.25，这意味着与本发明在同一晶圆区域中的芯片总数至少增加4×。在不影响或放弃任何性能规格的情况下，芯片尺寸和芯片数量的优势将大大降低芯片成本。事实上，还有另外一个优势，即当焊点配置于每个VCSEL柱体上时，简化了组装和封装，以及于倒装芯片的结构上具有更好的热配置。
相比前面所述习知技术的设计，本发明中VCSEL设计具有多数个优点:(1)可配置倒装芯片；(2)较佳的热配置；(3)提供相同输出功率的密集数组；(4)一步回流焊组装和封装工艺；(5)光刻成形的透镜可以直接形成设置在晶圆底部的开孔；(6)较低的柱体结构或蚀刻台面高度；以及(6)沉积电介质DBR取代了磊晶(epi)生长形成的DBR层，具有更高的设计灵活性及更低成本。
虽然上述已经根据各种具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以知道，本发明的实施例可以通过在权利要求书的精神和范围内进行修改来实施。

Claims (20)

1.一种底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括:
一基板；
一第一镜单元，位于所述基板上；
一有源区，位于所述第一镜单元上；
一第二镜单元，位于所述有源区上；
一柱体，通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成，所述柱体曝露所述第一镜单元、所述有源区及所述第二镜单元的一部分；
一第一金属接触层，形成于所述柱体的顶部；
一第二金属接触层，形成于所述基板；以及，
一开孔，形成于所述第二金属接触层内，并与所述柱体对齐。
2.如权利要求1所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:包括一装置倒装于所述底发射结构的垂直腔面发射激光器。
3.如权利要求1所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:包括一焊料形成于所述第一金属接触层上，其中所述焊料连接至一装置的一金属接触层上，以将所述装置倒装于所述底发射结构的垂直腔面发射激光器。
4.如权利要求1所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:所述第一镜单元是一第一分布式布拉格反射镜。
5.如权利要求4所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:所述第二镜单元是一第二分布式布拉格反射镜。
6.如权利要求1所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:所述有源区是一量子阱。
7.一种底发射结构的垂直腔面发射激光器的制作方法，包括:
形成一第一镜单元于一基板上；
形成一有源区于所述第一镜单元上；
形成一第二镜单元于所述有源区上；
通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻，形成一柱体，所述柱体曝露所述第一镜单元、所述有源区及所述第二镜单元的一部分；
涂布一第一金属接触于所述柱体的顶部；以及，
涂布一第二金属接触于所述基板，其中一开孔形成于所述第二金属接触内，且所述开孔与所述柱体对齐。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于:包括将形成所述底发射结构的垂直腔面发射激光器的一芯片翻转，以涂布所述第二金属接触。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于:包括倒装一装置于所述底发射结构的垂直腔面发射激光器。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于:包括涂布一焊料于所述第一金属接触上，且连接至一装置的一金属接触上，以将所述装置倒装于所述底发射结构的垂直腔面发射激光器。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于:形成所述第一镜单元包括形成一第一分布式布拉格反射镜于所述基板上。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于:形成所述第二镜单元包括形成一第二分布式布拉格反射镜于所述有源区上。
13.如权利要求7所述的方法，其特征在于:形成所述有源区包括形成一量子阱。
14.一种底发射结构的垂直腔面发射激光器数组，其特征在于，包括:
一基板；
一第一镜单元，形成于所述基板上；
一有源区，形成于所述第一镜单元上；
一第二镜单元，形成于所述有源区上；
多数个柱体，通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成，每一个所述柱体曝露所述第一镜单元、所述有源区及所述第二镜单元的一部分；
一第一金属接触层，形成于每一个所述柱体的顶部；
一第二金属接触层，形成于所述基板；以及，
多数个开孔，形成于所述第二金属接触层内，并且每一个开孔与对应的所述柱体对齐。
15.如权利要求14所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器数组，其特征在于:包括一装置倒装于所述底发射结构的垂直腔面发射激光器数组。
16.如权利要求14所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器数组，其特征在于:包括焊料形成于所述第一金属接触层上，其中所述焊料连接至一装置的金属接触层上，以将所述装置倒装于所述底发射结构的垂直腔面发射激光器数组。
17.如权利要求14所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器数组，其特征在于:所述第一镜单元及所述第二镜单元是分布式布拉格反射镜。
18.如权利要求14所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器数组，其特征在于:所述第一镜单元是一第一分布式布拉格反射镜。
19.如权利要求14所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器数组，其特征在于:所述第二镜单元是一第二分布式布拉格反射镜。
20.如权利要求14所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器数组，其特征在于:所述有源区是一量子阱。
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