CN114256741B - 用于密集vcsel设计的沟槽工艺 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于密集VCSEL设计的沟槽工艺。描述了带沟槽的VCSEL发射器结构。在一个实施方案中，发射器结构包括非均匀分布的发射器的群集，其中每个发射器包括内部台面沟槽，和从该内部台面沟槽延伸的氧化物孔口层的氧化部分。外部壕式沟槽邻近于该内部台面沟槽而定位，并且形成为达到超过该氧化物孔口层的深度。

Description

用于密集VCSEL设计的沟槽工艺
技术领域
本文描述的实施方案涉及发射器结构，并且更具体地，涉及竖直腔表面发射激光器。
背景技术
竖直腔表面发射激光器(VCSEL)是能够在垂直于该VCSEL从其形成的基板的方向上发射光的表面发射激光器。VCSEL与诸如边缘发射激光器的其他激光器相比可提供更好的光束质量。此外，表面发射性质允许将VCSEL图案化为台面类型结构的密集阵列。
典型的VCSEL包括位于顶部镜层与底部镜层之间的有源层，该顶部镜层和该底部镜层各自由交替的具有不同折射率的材料层构建，该材料层还称为分布式布拉格反射器(DBR)层。可使用诸如离子植入或选择性层氧化的技术将VCSEL孔口大小进一步微型化以限制流过VCSEL的电流。
如今，VCSEL通常用于光通信链接、音频/视频器具、激光扫描仪、三维(3D)感测应用、手势辨识等中。
发明内容
在一个实施方案中，发射器结构包括非均匀分布的发射器的群集，其中每个发射器包括内部台面沟槽，和从内部台面沟槽延伸的氧化物孔口(OA)层的氧化部分。外部壕式沟槽可定位成邻近于发射器群集中的一个或多个发射器的内部台面沟槽，其中该外部壕式沟槽延伸至超过OA层的深度。该外部壕式沟槽可形成对邻近的发射器之间的湿气进入和传播的物理屏障。在一些实施方案中，用于邻近的发射器的外部壕式沟槽是相交的。在一些实施方案中，外部壕式沟槽的布置将发射器群集分割为子群集。在一些实施方案中，可按照多蚀刻序列制造内部台面沟槽，以便减轻在氧化该OA层以形成发射器孔口以及其他处理操作期间可能会发生的二次氧化。
附图说明
图1A至图1B是根据实施方案的包括发射器的非均匀分布的发射器结构的示意性俯视图图解。
图2是根据一个实施方案的发射器的示意性横截面侧视图图解。
图3A是根据一个实施方案的包括内部台面沟槽和对应的外部壕式沟槽的发射器的示意性横截面侧视图图解。
图3B是根据一个实施方案的包括内部台面沟槽和重叠的外部壕式沟槽的发射器的示意性横截面侧视图图解。
图4A是根据一个实施方案的发射器和相交的外部壕式沟槽的密集布置的示意性俯视图图解。
图4B是根据一个实施方案的发射器的示意性自上而下的视图图解，其中对应的外部壕式沟槽是未连接的外部壕式沟槽的图案。
图4C是根据一个实施方案的形成于发射器的密集布置上方的顶部电极层的示意性自上而下的视图图解，其中对应的外部壕式沟槽完全包围每个发射器的内部台面沟槽和顶部DBR台面结构。
图4D是根据一个实施方案的形成于发射器的密集布置上方的顶部电极层的示意性俯视图图解，其中对应的外部壕式沟槽是在每个发射器的内部台面沟槽和顶部DBR台面结构周围的未连接的外部壕式沟槽的图案。
图5是根据一个实施方案的具有与外部壕式沟槽重叠的内部台面沟槽的发射器的示意性俯视图图解。
图6是根据一个实施方案的在发射器的内部台面沟槽的邻近处形成外部壕式沟槽的方法的流程图。
图7A至图7F是根据一个实施方案的在发射器的内部台面沟槽的邻近处形成外部壕式沟槽的方法的示意性横截面侧视图图解。
图7A’至图7F’是根据一个实施方案的形成外部壕式沟槽和重叠的内部台面沟槽的方法的示意性横截面侧视图图解。
图8A至图8C是根据一个实施方案的形成和钝化内部台面沟槽的方法的示意性横截面侧视图图解。
图8D是根据一个实施方案的图8C的内部台面沟槽的特写示意性横截面侧视图图解。
图9A至图9C是根据一个实施方案的使用两个蚀刻操作形成和钝化内部台面沟槽的方法的示意性横截面侧视图图解。
图9D是根据一个实施方案的图9C的内部台面沟槽的特写示意性横截面侧视图图解。
图10A至图10C是根据一个实施方案的使用两个蚀刻操作形成和钝化内部台面沟槽的方法的示意性横截面侧视图图解。
图10D是根据一个实施方案的图10C的内部台面沟槽的特写示意性横截面侧视图图解。
图11是根据一个实施方案的移动电话的等距视图。
图12是根据一个实施方案的平板计算设备的等距视图。
图13是根据一个实施方案的可穿戴设备的等距视图。
图14是根据一个实施方案的膝上型计算机的等距视图。
图15是根据一个实施方案的便携式电子设备的系统图。
具体实施方式
实施方案描述了包括竖直腔表面发射激光器(VCSEL)的发射器结构和制造方法。例如，该发射器结构可以是移动电子设备的红外线(IR)投影仪的部分，其中VCSEL(在本文还称为发射器)紧密地布置成密集群集。
在一个方面，已经观察到，发射器的密集群集的氧化物孔口(OA)层的氧化部分可能会重叠，从而为发射器之间的湿气扩散提供路径，该湿气扩散可快速传播，从而导致可靠性故障。在一些实施方案中，每个发射器都包括顶部DBR层中的内部台面沟槽以限定顶部DBR层台面结构。可在制造期间使用该内部台面沟槽来接近从内部台面沟槽的侧壁延伸的OA层(例如，可氧化层)，以氧化该OA层的一部分以形成发射器的OA。还可在顶部DBR层中形成外部壕式沟槽，并且该外部壕式沟槽延伸超过该OA层以便提供对OA传播的物理屏障。根据实施方案的外部壕式沟槽构造可促进发射器的密集布置，从而允许与原本可由于邻近的发射器之间的湿气进入的传播而可能出现的情况相比使发射器更靠近地定位在一起。
在另一方面，已经观察到，在氧化OA层以形成氧化物孔口期间可能会发生发射器叠层(诸如DBR层的较低折射率层)内的含铝层的二次氧化。此二次氧化又可潜在地未与沟槽钝化层一起充分钝化，并且因此为湿气扩散产生附加的路径并且产生可靠性故障。在一些实施方案中，使用多个蚀刻操作形成内部台面沟槽，其中第一蚀刻操作进入顶部DBR层以暴露OA层，然后氧化该OA层以形成OA。此后可紧接着第二蚀刻操作，紧接着沿着内部台面沟槽侧壁沉积钝化层。此类序列可减轻邻近于OA层的层的二次氧化并且提高可靠性。
根据实施方案的发射器结构可包括外部壕式沟槽、使用多个蚀刻操作形成的内部台面沟槽或其组合。
在各种实施方案中，参照附图来进行描述。然而，可在不具有这些特定细节中的一者或多者的情况下或与其他已知的方法和构造组合地实践某些实施方案。在以下的描述中，示出许多具体细节诸如特定构型、尺寸和工艺等，以提供对实施方案的透彻理解。在其他情况下，未对熟知的半导体工艺和制造技术进行特别详细地描述，以免不必要地模糊实施方案。整个说明书中所提到的“一个实施方案”是指结合实施方案所描述的特定特征、结构、构造或特性被包括在至少一个实施方案中。因此，整个说明书中多处出现短语“在一个实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，特定特征、结构、构造或特性可以任何适当的方式组合在一个或多个实施方案中。
在以下描述中，描述了可以共享类似的材料、布置或工艺的各种构造和制造顺序。为了清楚和简洁起见，在随后的例示和过程中不一定以相同的细节描述类似的特征。因此，将理解，与特定说明相关的特定描述还可适用于共享相同或类似的特征的替代性构造和说明。
本文所使用的术语“在...之上”、“在...上方”、“至”、“在...之间”、“跨越”和“在...上”可指一层相对于其他层的相对位置。一层相对于另一层“在...之上”、“在...上方”、“跨越”或“在...上”或者与另一层“接触”可为直接与其他层接触或可具有一个或多个居间层。一层在多层“之间”可为直接与该多层接触或可具有一个或多个居间层。
现在参考图1A，提供了根据一个实施方案的包括发射器150的非均匀分布的发射器结构100的示意性俯视图图解。如所示，每个发射器150可包括氧化物孔口(OA)125和内部台面沟槽130(该内部台面沟槽可以是连续的，或者是未连接的内部台面沟槽的图案)。在所说明的特定实施方案中，在每个发射器150周围形成对应的外部壕式沟槽140(该外部壕式沟槽可以是连续的，或者是未连接的外部壕式沟槽的图案)。如所示，由于该密集布置，一些发射器150的一些外部壕式沟槽140可彼此相交。如在以下描述中将变得更加显而易见的，外部壕式沟槽140可被设计成使得形成氧化物孔口125的OA层122的氧化部分123(参看图3A至图3B)不相交。因此，外部壕式沟槽140可形成对发射器150之间穿过OA层的氧化部分的湿气扩散的物理屏障。
图1B是与图1A的发射器结构相似的包括发射器150的非均匀分布的发射器结构100的示意性俯视图图解，该发射器结构具有外部壕式沟槽140的不同布置。如所示，外部壕式沟槽140可在多个发射器之间横向地延伸。外部壕式沟槽140可形成多种规则和不规则的形状。在一个实施方案中，一个或多个外部壕式沟槽140可彼此相交以完全横向地包围发射器群集中的发射器的子群集151。如所示，该发射器群集可被分割为多个发射器子群集151。以此方式，分段式外部壕式沟槽140布置可在战略区域中形成壕。例如，可将非常紧密布置的发射器150的子群集151或具有它们的OA的重叠的氧化部分的发射器与其他发射器150或发射器的子群集151分割。
将了解，根据实施方案的发射器150群集可形成在同一基板中，其中通过同一OA层来图案化每个发射器150。因此，被分割的发射器子群集可具有连接的OA层。可通过该OA层形成用于氧化OA层的外部壕式沟槽140以及内部台面沟槽130。因此，在一些实施方案中，内部台面沟槽130自身可实际上用于预防通过OA层的氧化部分的湿气进入。在一些实施方案中，外部壕式沟槽140中的一个或多个外部壕式沟槽可相交或与一个或多个内部台面沟槽130重叠。
图2是根据一个实施方案的发射器150的示意性横截面侧视图图解。具体地，图2的发射器150说明VCSEL的若干特征。如所示，发射器150可包括形成在生长基板102(例如，GaAs、InP或其他半导体基板)上的底部分布式布拉格反射器(DBR)层110、顶部DBR层120和位于底部DBR层110与顶部DBR层120之间的有源层180。该有源层可包括被一个或多个屏障层182分隔的一个或多个量子阱层184。从量子阱层184发射的特定波长可取决于材料选择。示例性量子阱材料包括InGaAs、GaAs、AlGaAs、InGaAsN、GaAsSb、AlInGaP、GaInAsP、InAlGaAs等。
底部DBR层110和顶部DBR层120可包括交替的具有不同折射率的层，并且可在每个层内具有四分之一光波长的厚度。可提供多个交替的层堆叠以实现所需的反射率。在一个实施方案中，该顶部/底部DBR层120、110包括GaAs和AlxGa(1-x)As的交替层，其中较低折射率层126、116具有比较高折射率层124、114更高的Al含量。
根据实施方案，底部DBR层110和顶部DBR层120经过掺杂以形成p-n二极管。在一个实施方案中，基板102和底部DBR层110被n掺杂，而顶部DBR层120被p掺杂。然而，掺杂可颠倒。附加的结构造也是可能的，诸如n-i-p二极管或p-i-n二极管结构。
在操作中，当跨底部电极104和顶部电极层170施加电势时，电流流过发射器150。如所示，底部电极104可形成在基板102的顶表面或背表面上。顶部电极层170可形成在顶部DBR层120上方，并且可被图案化以包括开口172，该开口可大于发射器150的氧化物孔口(OA)125。另选地，开口172可小于OA 125。在所说明的特定实施方案中，通过选择性地氧化一个或多个OA层122(还称为可氧化层)的一部分而形成OA 125。在一个实施方案中，OA层122可以是顶部DBR层120内的镜层中的一个镜层。此外，可通过调整OA层122的组成来实现选择性氧化。例如，OA层122可包括比顶部DBR层110中的周围层更高的铝浓度。在特定实施方案中，OA层122是由AlxGa(1-x)As形成，其中x高于也由AlxGa(1-x)As形成的较低折射率层126。然而，实施方案不受此限制，并且OA层122可由诸如AlInAs、AlGaSb的其他材料形成。
可使用诸如湿(蒸汽)氧化的合适技术来实现OA层122的氧化。该氧化工艺可确定氧化部分123在顶部DBR层台面结构135内部侵占的距离。如所示，顶部DBR层台面结构135内的OA层122的未氧化的部分121对应于发射器150的OA 125。
现在参考图3A，提供了根据一个实施方案的发射器150的示意性横截面侧视图图解。图3A中的横截面侧视图图解可以是图1A的单独的发射器150的特写图解。如所示，发射器150包括形成在如关于图2所描述的基板102和顶部DBR层120上的共用底部DBR层110。图1A的多个发射器150可共享该共用底部DBR层110和基板102。有源层180可位于底部DBR层110与顶部DBR层120之间。根据实施方案，在顶部DBR层120中图案化内部台面沟槽130以在内部台面沟槽130内部横向地限定顶部DBR层台面结构135。OA层122也可位于顶部DBR层120内，其中该OA层包括非氧化部分121(如图2中所示)和从内部台面沟槽130的一个或两个侧壁131延伸的氧化部分123。在图3A中绘示的实施方案中，氧化部分123可从内部台面沟槽的两个相对的侧壁131延伸。
延伸到顶部DBR层台面结构135中的氧化部分123可限定发射器150的OA 125。根据实施方案，内部台面沟槽130可包括位于OA层122下方和有源层180上方的底表面137。根据实施方案的内部台面沟槽130将延伸穿过OA层122以便暴露OA层122并且形成氧化部分123。可在有源层180上方停止对内部台面沟槽130的蚀刻以便避免沿着有源层180形成充当再结合部位的边缘。在其他实施方案中，例如，在以高电流密度驱动发射器的情况下和/或在侧壁再结合对设备性能具有可忽略的影响的情况下，可将内部台面沟槽蚀刻穿过有源层180。
在所说明的实施方案中，还在顶部DBR层中在内部台面沟槽130的邻近处形成外部壕式沟槽140。外部壕式沟槽140的深度可延伸超过顶部DBR层120中的OA层122，以便形成对穿过OA层122至邻近的发射器的潜在的湿气传播形成物理屏障。外部壕式沟槽140可包括底表面147，该底表面形成为与内部台面沟槽130的底表面137类似的深度。根据实施方案，底表面147至少低于OA层122，并且可延伸必要深度超过OA层122以形成对湿气进入的物理屏障。底表面147可位于顶部DBR层120内，或者可延伸到有源层180中或穿过该有源层延伸到底部DBR层110中。在一个实施方案中，外部壕式沟槽140被蚀刻至低于内部台面沟槽130的深度，其中外部壕式沟槽140的底表面147低于内部台面沟槽130的底表面137。
在一个实施方案中，内部台面沟槽130具有比外部壕式沟槽140的宽度(Wo)窄的宽度(Wi)。可由于多种原因而包括差别宽度。例如，可减小内部台面沟槽130宽度(Wi)以促进密集发射器布置。另外，外部壕式沟槽140宽度(Wo)可更宽以容纳多个钝化层或减轻顶部电极层170的电阻差异。多种构造是可能的，包括相同的宽度或具有比对应的外部壕式沟槽140宽度(Wo)宽的宽度(Wi)的内部台面沟槽130。
仍然参考图3A，钝化层160可形成在顶部DBR层120上方和外部壕式沟槽140内和内部台面沟槽130内。钝化层160还可形成在顶部DBR层台面结构135上方。开口169可形成在该钝化层内，以用于沉积顶部电极层170以与顶部DBR层台面结构135进行电接触。开口172可形成在顶部电极层170中以允许来自发射器150的光发射。例如，开口172可比OA125更大(例如，宽度、直径等)，以免进一步约束设备孔口，然而，这不是必需的，并且开口172可与OA125相同或小于OA 125。在一些实施方案中，钝化层160在外部壕式沟槽140内比在内部台面沟槽130内更厚。具体地，内部台面沟槽130内的厚度(Ti)可小于外部壕式沟槽140内的厚度(To)。例如，这些厚度可对应于底表面或相应沟槽的侧壁上的厚度。如将关于图6-图7F'更详细地描述，这可归于多层钝化层160，包括下部钝化层和在该下部钝化层顶部上的上部钝化层，其中该下部钝化层在外部壕式沟槽140内跨越，并且该上部钝化层在内部台面沟槽130内和外部壕式沟槽140内跨越。在其他实施方案中，钝化层160在外部壕式沟槽140和内部台面沟槽130内具有相同的厚度。例如，下部钝化层可以是在形成上部钝化层之前移除的用于图案化的临时层。
外部壕式沟槽140与内部台面沟槽130之间的距离(d)可以是最小尺寸，这可促进发射器的密集布置。在图3A中绘示的特定布置中，OA层122的氧化部分123朝向外部壕式沟槽140的侧壁141侵占但未到达该侧壁。在一些实施方案中，氧化部分123可横向地延伸至外部壕式沟槽140的侧壁141并且与该侧壁相交。在图3B中绘示的实施方案中，外部壕式沟槽140与内部台面沟槽130重叠或相交，使得OA层122的氧化部分123仅从单个侧壁141侵占到顶部DBR层台面结构135中。
根据实施方案的外部壕式沟槽140的图案可基于密集发射器150的布置来确定。在一些实施方案中，如图1A中绘示，可在每个发射器150的内部台面沟槽130周围部分地或完全地形成对应的外部壕式沟槽140。如图1B中绘示，还可在多个发射器150的邻近处形成外部壕式沟槽140。此外，在以上两种构造中，外部壕式沟槽140可与内部台面沟槽130间隔开距离(d)，或可与内部台面沟槽130重叠或以其他方式相交。
现在参考图4A至图4B，在图4A中提供了发射器150和一个或多个相交的外部壕式沟槽140的密集布置的示意性俯视图图解。在所绘示的特定实施方案中，每个相应的外部壕式沟槽140完全包围每个相应的发射器150的相应组内部台面沟槽130和顶部DBR层台面结构135。然而，这不是所需的，并且相交的外部壕式沟槽140可形成如图1A至图1B中所示的多种构造。在图4B中绘示的实施方案中，外部壕式沟槽140可各自是未连接的外部壕式沟槽140a、140b…140n的图案。在此类构造中，OA层122的氧化部分123可以有可能在外部壕式沟槽140之间延伸。然而，根据实施方案的未连接的外部壕式沟槽的图案可缓解邻近的发射器之间的湿气进入的传播。类似地，内部台面沟槽130可以是未连接的内部台面沟槽130a、130b…130n的图案。在图4B中绘示的实施方案中，未连接的外部壕式沟槽140(140a、140b…140n)的图案与未连接的内部台面沟槽130(130a、130b…130n)的图案对准。在一个实施方案中，未连接的外部壕式沟槽的图案比未连接的内部台面沟槽的图案覆盖相对于顶部DBR层台面结构的中心的相同或更大的径向角度(αr)。另选地，内部台面沟槽130可完全包围对应的台面结构的对应的顶部DBR层台面结构135(与在图4A中绘示的外部壕式沟槽类似)。
参考图4C至图4D，提供了于在根据实施方案的图4A至图4B的发射器的密集布置上方形成顶部电极层170之后的自上而下的视图图解。如所示，发射器150中的每个发射器可共享顶部电极层170。例如，顶部电极层170可以是使用诸如电镀、溅镀或蒸镀的合适技术而形成的金属层(例如，金)。还参考图3A至图3B，已经表明，顶部电极层170的台阶覆盖可受到内部台面沟槽130宽度(Wi)和外部壕式沟槽140宽度(Wo)影响，从而导致顶部电极层170的厚度的变化，这继而可影响顶部电极层170的薄层电阻和发射器结构100的操作特性。根据实施方案，顶部DBR层120的系杆155可在未连接的内部台面沟槽130(130a、130b…130n)和/或未连接的外部壕式沟槽140(140a、140b…140n)(在存在时)之间横向地延伸。此类布置可允许在每个发射器150上方形成顶部电极层170的一致厚度，这可提供最低电阻的一致电流路径。在一些实施方案中，内部台面沟槽130宽度(Wi)小于外部壕式沟槽140宽度(Wo)，并且因此在深度类似时，内部台面沟槽130可通过较高的纵横比来表征。在一些实施方案中，更宽的外部壕式沟槽140宽度(Wo)可促进顶部电极层170的更一致的沟槽填充能力和跨发射器150的密集布置的更一致的电阻。
图5是根据一个实施方案的具有与外部壕式沟槽重叠的内部台面沟槽的发射器的示意性俯视图图解。具体地，图5绘示了各种可能的结构的组合。如所示，外部壕式沟槽140可与发射器150的内部台面沟槽130重叠。此外部壕式沟槽140可与一个或多个对应的发射器150相关联。还示出内部台面沟槽130组合了图4A至图4B的具有内部台面沟槽的连续区域和未连接的内部台面沟槽的区域的特征。值得注意的是，在图5中绘示的发射器150的OA125受到保护以免湿气进入，其中外部壕式沟槽140保护一侧，并且连续的内部台面沟槽130保护另一侧。如此形成连续组合沟槽，该连续组合沟槽可充当对通过OA层的氧化部分的湿气传播的屏障。此外，类似于图4C至图4D的讨论，未连接的内部台面沟槽和系杆155可提供用于顶部电极层的更好的台阶覆盖和较低薄层电阻的结构。将了解，图5的结构被示出为用于使内部台面沟槽130和外部壕式沟槽140重叠的示例性实施方案，并且此类构造可与在图1A至图1B以及图3A至图3B中绘示的两个实施方案整合，这是因为内部台面沟槽130和外部壕式沟槽140的各种不同组合在密集发射器150布置中都是可能的。
图6是根据一个实施方案的形成具有外部壕式沟槽和内部台面沟槽的发射器的方法的流程图。图7A至图7F是根据一个实施方案的在发射器的内部台面沟槽的邻近处形成外部壕式沟槽的方法的示意性横截面侧视图图解。图7A’至图7F’是根据一个实施方案的形成外部壕式沟槽和重叠的内部台面沟槽的方法的示意性横截面侧视图图解。出于清晰和简明起见，在以下描述中一起描述图6、图7A至图7F以及图7A’至图7F’的结构和工艺流程。
该处理序列可开始于包括基板102(例如，n掺杂的GaAs)、底部DBR层110(例如，n掺杂)、顶部DBR层120(例如，9掺杂)和其间的多量子阱(MWQ)有源层的半导体结构。如图7A和图7A’中所示，在操作6010处，将外部壕式沟槽140蚀刻到顶部DBR层120中以用于布置发射器结构中的发射器150。如先前描述，将外部壕式沟槽140蚀刻至超过OA层122的深度。如所绘示，对外部壕式沟槽140的蚀刻可在顶部DBR层120中终止。另选地，外部壕式沟槽140可延伸至底部DBR层110或延伸到该底部DBR层中。
如图7B和图7B’中所示，在操作6020处，然后可将下部钝化层162沉积在图案化的顶部DBR层120上方和外部壕式沟槽140内。下部钝化层162可由抗氧化的多种材料形成，该材料包括(但不限于)诸如氮化硅(SixNy)的氮化物材料。下部钝化层162可在后续的湿氧化操作期间保护OA层122，并且可另外用于限定该结构的对准标记。
在操作6030处，然后可蚀刻内部台面沟槽130，如图7C和图7C’中所示。如先前描述，将内部台面沟槽130蚀刻穿过下部钝化层162和顶部DBR层120达到超过OA层122的深度。如所绘示，可对内部台面沟槽130的蚀刻进行控制以在顶部DBR层120中终止。根据实施方案，该蚀刻可以是单个操作，或包括多个蚀刻操作。在图7C中绘示的实施方案中，内部台面沟槽130可与外部壕式沟槽140相隔距离(d)。在图7D中绘示的实施方案中，内部台面沟槽130可与外部壕式沟槽140重叠或相交。
现在参考图7D和图7D’，在操作6040处，氧化在内部台面沟槽130内暴露的OA层122以由顶部DBR层台面结构135内的氧化部分123产生OA 125。例如，可利用湿氧化(例如，蒸汽)技术，其中氧化部分123在顶部DBR层台面结构135中的侵占量确定OA 125的大小。在图7D中绘示的实施方案中，氧化部分123从内部台面沟槽130的两个相对的侧壁131生长。在图7D’中绘示的实施方案中，氧化部分从单个侧壁131延伸，而组合沟槽的侧壁141被下部钝化层162覆盖，该下部钝化层充当对OA层122在那个方向上的氧化的屏障。在使用多个蚀刻操作来形成内部台面沟槽130的情况下，可在操作6040之后执行后续的蚀刻操作以完成内部台面沟槽130。
在操作6050处，然后可沉积上部钝化层164，如图7E和图7E’中所示。下部钝化层162和上部钝化层164一起可形成多层钝化层160。上部钝化层164还可由与下部钝化层162相同的材料形成。如所示，钝化层160在顶部DBR层台面结构135上方、内部台面沟槽130内和外部壕式沟槽140内跨越。这可以是跨发射器结构100中的所有发射器150的连续层。在一个实施方案中，钝化层160在外部壕式沟槽140内比在内部台面沟槽130内更厚。这可归于两层制造序列，其中下部钝化层162在外部壕式沟槽140内跨越，并且上部钝化层164在内部台面沟槽130内和外部壕式沟槽140内跨越。另选地，可在沉积上部钝化层164之前移除下部钝化层162从而形成单层钝化层160。
在操作6060处，然后可使用诸如电镀或蒸镀的合适技术形成顶部电极层170。在一个实施方案中，顶部电极层170是由金形成，但可使用其他合适的导电材料。如图7F至图7F’中所示，可图案化或选择性地生长或沉积顶部电极层170，以在顶部DBR层台面结构135上方形成用于每个发射器150的开口172。
可使用单步骤或多步骤蚀刻操作形成内部台面沟槽130。此外，该多步骤蚀刻操作可包括OA层氧化操作作为蚀刻操作之间的中间操作。
图8A至图8C是根据一个实施方案的形成和钝化内部台面沟槽130的方法的示意性横截面侧视图图解。具体地，可在氧化OA层122之前完整地形成内部台面沟槽130。图8D是根据一个实施方案的图8C的内部台面沟槽的特写示意性横截面侧视图图解。参考图8A，与先前关于操作6030以及图7C和图7C’所描述类似地蚀刻内部台面沟槽130。图8B是在如先前关于操作6040以及图7D和图7D’所描述而氧化OA层122之后的图解。图8C是在如先前关于操作6050以及图7E和图7E’所描述将上部钝化层164沉积在下部钝化层162上和内部台面沟槽130内之后的图解。另选地，可在沉积上部钝化层164之前移除下部钝化层162。
现在参考图8D，所得的发射器可包括顶部DBR层120的较低折射率层126(例如，包含铝)的二次氧化区域127。在此实施方案中，可在OA层122的氧化操作期间部分地氧化可氧化(例如，由于铝)的任何周围的DBR层。因此，形成OA层122的氧化部分123以形成氧化物孔口可导致暴露的DBR层的二次氧化，但氧化的程度较小，这是因为铝浓度与OA层122相比可较低。
在一个实施方案中，顶部DBR层120包括交替的含铝层(例如，126)和非含铝层(例如，124)，包括在OA层122上方的最靠近的含铝层和在OA层下方的最靠近的含铝层，其中在OA层上方并且沿着内部台面沟槽130的相对的侧壁131的最靠近的含铝层和在OA层下方并且沿着内部台面沟槽的相对的侧壁131的最靠近的含铝层都被氧化(即，二次氧化)，其中二次氧化区域127侵占顶部DBR层台面结构135内部。如所示，内部台面沟槽130的底表面137位于顶部DBR层120内。在一个实施方案中，对内部台面沟槽130的蚀刻进行控制以在非含铝较高折射率层124上形成底表面137，以便减少对该底表面的二次氧化影响，并且将潜在的二次氧化限制于侧壁131。
根据实施方案，已经观察到，发射器叠层内的含铝层的二次氧化可为湿气进入提供附加的途径。具体地，钝化层160(即，上部钝化层164)与氧化材料的粘附可低于与DBR层内的非氧化材料的粘附，从而潜在地为湿气进入提供附加的途径。应注意，如果将内部台面沟槽130更深地蚀刻到底部DBR层110中，则可同样地在OA氧化期间氧化底部DBR层110的较低折射率层(例如，含铝)以形成类似的二次氧化区域。
图9A至图9C是根据一个实施方案的使用两个蚀刻操作形成和钝化内部台面沟槽130的方法的示意性横截面侧视图图解。具体地，OA层122的氧化可以是两个单独的沟槽蚀刻操作之间的中间操作。图9D是根据一个实施方案的图9C的内部台面沟槽的特写示意性横截面侧视图图解。
参考图9A，对内部台面沟槽130进行部分蚀刻，在蚀刻穿过OA层122之后停止。例如，这可以是对铝含量敏感的干蚀刻技术，诸如干式BCl3蚀刻剂。在一个实施方案中，蚀刻可在直接位于OA层122下方的第一非含铝较高折射率层124上终止。然后可如图9B中所示执行氧化操作(例如，湿氧化)以实现OA层122的氧化部分123。在氧化之后，可执行第二蚀刻操作以完成内部台面沟槽130。该第二蚀刻操作可以是湿蚀刻技术或干(例如，BCl3)蚀刻技术，并且可在顶部DBR层120内停止。例如，底表面137可位于非含铝较高折射率层124上。然而，多蚀刻序列不需要这样，并且可使用不大具选择性的蚀刻技术。因此，因为已经执行了OA层122氧化，所以底表面137还可以或可替代地暴露更容易发生氧化的较低折射率层126(例如，含铝)。
在一个实施方案中，第二沟槽蚀刻操作与第一沟槽蚀刻操作自对准。下部钝化层162可用作掩模，或另选地，光致抗蚀剂或另一硬掩模材料可用作掩模，并且随后被移除。然后可将上部钝化层164沉积在下部钝化层162上方和内部台面沟槽130内，如图9C中所示。另选地，可在沉积上部钝化层164之前移除下部钝化层162。
现在参考图9D，所得的发射器结构可包括顶部DBR层120的较低折射率层126(例如，含铝)内的在第一沟槽蚀刻操作之后暴露的二次氧化区域127(即，在OA层122上方的那些层)。如所示，在OA层122下方的含铝层被保护以免在OA层122的氧化操作期间被二次氧化。这可移除湿气进入的途径并且提高钝化层160(即，上部钝化层164)的粘附。
在一个实施方案中，顶部DBR层110包括交替的含铝层(例如，126)和非含铝层(例如，124)，包括在OA层122上方的最靠近的含铝层和在OA层下方的最靠近的含铝层，其中在OA层上方并且沿着内部台面沟槽130的相对的侧壁131的最靠近的含铝层比在OA层下方并且沿着内部台面沟槽的相对的侧壁的最靠近的含铝层被氧化得更多(例如，氧化物侵占更远)。
图10A至图10C是根据一个实施方案的使用两个蚀刻操作形成和钝化内部台面沟槽的另一方法的示意性横截面侧视图图解。具体地，OA层122的氧化可以是两个单独的沟槽蚀刻操作之间的中间操作。图10D是根据一个实施方案的图10C的内部台面沟槽的特写示意性横截面侧视图图解。图10A至图10C的处理序列可与图9A至图9C的处理序列类似地进行，其中差异在于用以完成内部台面沟槽130的形成的第二蚀刻操作产生台阶表面136。在此实施方案中，可在第二蚀刻操作期间利用光致抗蚀剂掩模，其中内部台面沟槽130开口的区域有所减小。此减小的区域因此可产生内部台面沟槽130的底表面137处的更小的区域，其中可潜在地使含铝层经受可由于除了OA层122氧化操作之外的其他处理源而发生的二次氧化。
参考图10D，所得的发射器结构可与关于图9D所描述类似地包括二次氧化区域127，其中该二次氧化区域受限于在OA层122上方的层。此外，该蚀刻序列可产生包括台阶状侧壁的内部台面沟槽130，该台阶状侧壁包括跨越内部台面沟槽达到至少OA层122的深度(并且优选地未穿过下一个含铝层)的顶部侧壁132和跨越顶部DBR层120的在OA层122下方的一部分的底部侧壁134，其中该顶部侧壁132比底部侧壁134分开得更宽，并且OA层122的氧化部分123直接从顶部侧壁132延伸。如所示，台阶表面136可从顶部侧壁132的底部延伸至底部侧壁134的顶部。台阶表面136可以是位于OA层122正下方的半导体层，诸如非含铝较高折射率层124(例如，GaAs)。
图11至图14绘示了其中可实施各种实施方案的各种便携式电子设备。图11绘示了示例性移动电话1100，该示例性移动电话包括封装在外壳1102中的显示屏幕1101和一个或多个窗口1110，本文描述的发射器结构100可邻近地对准于该一个或多个窗口。图12绘示了示例性平板计算设备1200，该示例性平板计算设备包括封装在外壳1202中的显示屏幕1201和一个或多个窗口1210，本文描述的发射器结构100可邻近地对准于该一个或多个窗口。图13绘示了示例性可穿戴设备1300，该示例性可穿戴设备包括封装在外壳1302中的显示屏幕1301和一个或多个窗口1310，本文描述的发射器结构100可邻近地对准于该一个或多个窗口。图14绘示了示例性膝上型计算机1400，该示例性膝上型计算机包括封装在外壳1402中的显示屏幕1401和一个或多个窗口1410，本文描述的发射器结构100可邻近地对准于该一个或多个窗口。
图15绘示了包括本文描述的发射器结构100的便携式电子设备1500的一个实施方案的系统图。便携式电子设备1500包括用于管理系统并且执行指令的处理器1520和存储器1540。存储器包括非易失性存储器，诸如闪存存储器，并且可另外包括易失性存储器，诸如静态或动态随机存取存储器(RAM)。存储器1540可另外包括专用于只读存储器(ROM)的用以存储固件和配置实用程序的部分。
该系统还包括电源模块1580(例如，柔性电池、有线或无线充电电路等)、外围接口1508和一个或多个外部端口1590(例如，通用串行总线(USB)、HDMI、显示端口和/或其他)。在一个实施方案中，便携式电子设备1500包括被配置为与一个或多个外部端口1590介接的通信模块1512。例如，通信模块1512可包括一个或多个收发器，该一个或多个收发器根据IEEE标准、3GPP标准或其他通信标准、4G、5G等而运作并且被配置为经由一个或多个外部端口1590接收和传输数据。通信模块1512可另外包括一个或多个WWAN收发器，该一个或多个WWAN收发器被配置为与包括一个或多个蜂窝塔或基站的广域网通信，以将便携式电子设备1500通信地连接至附加的设备或部件。此外，通信模块1512可包括一个或多个WLAN和/或WPAN收发器，该一个或多个WLAN和/或WPAN收发器被配置为将便携式电子设备1500连接至局域网和/或个人区域网，诸如蓝牙网络。
在一个实施方案中，该系统包括音频模块1531，该音频模块包括用于音频输出的一个或多个扬声器1534和用于接收音频的一个或多个麦克风1532。在实施方案中，扬声器1534和麦克风1532可以是压电部件。便携式电子设备1500还包括输入/输出(I/O)控制器1522、包括显示屏幕的显示面板1510，以及附加的部件1518(例如，键、按钮、灯、LED、光标控制设备、触觉设备等)。可将显示面板1510和该附加的部件1518视为形成用户界面的部分(例如，便携式电子设备1500的与向用户呈现信息和/或从用户接收输入相关联的部分)。
在一个实施方案中，该系统包括光学模块1501，该光学模块包括相机、IR相机1504、IR投影仪1502、接近传感器、环境光传感器等中的一者或多者。具体地，IR投影仪1502可包括本文描述的发射器结构100。便携式电子设备1500还可包括传感器控制器1570以管理来自一个或多个传感器的输入，该一个或多个传感器诸如本文描述的接近传感器、环境光传感器、红外线收发器(例如，来自IR相机1504、IR投影仪1502)。
在利用该实施方案的各个方面时，本领域技术人员将明白，用于形成密集VCSEL设计的带沟槽发射器结构的以上实施方案的组合或变化是可能的。尽管以特定于结构特征和/或方法行为的语言对实施方案进行了描述，但应当理解，所附权利要求并不一定限于所描述的特定特征或行为。所公开的特定特征和行为相反应当被理解为用于进行例示的权利要求的实施方案。

Claims (22)

1.一种发射器结构，包括：
发射器群集，所述发射器群集包括发射器的非均匀分布，所述发射器群集包括在所述发射器群集中的每个发射器之间共享的共用底部DBR层以及包括氧化物孔口OA层的顶部DBR层，每个发射器包括：
内部台面沟槽，所述内部台面沟槽位于所述顶部DBR层中，并且在所述内部台面沟槽内部横向地限定顶部DBR层台面结构；
其中每个顶部DBR层台面结构的OA层包括非氧化部分和从所述内部台面沟槽的侧壁延伸到所述顶部DBR层台面结构中的氧化部分；并且
位于所述顶部DBR层中的一个或多个外部壕式沟槽，每个外部壕式沟槽与用于所述发射器群集中的一个或多个发射器的所述内部台面沟槽相邻，其中每个外部壕式沟槽延伸至超过所述顶部DBR层中的所述OA层的深度；
其中与顶部DBR层中的每个内部台面沟槽相交的OA层被选择性氧化，并且与顶部DBR层中的每个外部壕式沟槽相交的OA层未被氧化。
2.根据权利要求1所述的发射器结构，其中所述一个或多个外部壕式沟槽包括在第一多个发射器与第二多个发射器之间横向地延伸的第一壕式沟槽。
3.根据权利要求2所述的发射器结构，其中所述第一壕式沟槽与用于至少一个发射器的内部台面沟槽相交。
4.根据权利要求1所述的发射器结构，其中所述一个或多个外部壕式沟槽包括完全横向地包围所述发射器群集中的第一发射器子群集的第一组一个或多个外部壕式沟槽。
5.根据权利要求1所述的发射器结构，其中所述发射器群集被所述一个或多个外部壕式沟槽分割为多个发射器子群集，每个发射器子群集包括连接的OA层。
6.根据权利要求1所述的发射器结构，其中所述一个或多个外部壕式沟槽中的多个外部壕式沟槽是相交的。
7.根据权利要求6所述的发射器结构，其中所述内部台面沟槽完全包围所述顶部DBR层台面结构。
8.根据权利要求6所述的发射器结构，其中所述内部台面沟槽是未连接的内部台面沟槽的图案。
9.根据权利要求8所述的发射器结构，其中所述一个或多个外部壕式沟槽中的第一外部壕式沟槽完全包围用于所述发射器群集的一个或多个发射器的所述内部台面沟槽和所述顶部DBR层台面结构。
10.根据权利要求8所述的发射器结构，其中所述一个或多个外部壕式沟槽包括未连接的外部壕式沟槽的图案。
11.根据权利要求1所述的发射器结构，其中用于所述发射器群集中的第一发射器的所述OA层的所述氧化部分与所述一个或多个外部壕式沟槽中的第一外部壕式沟槽的侧壁相交。
12.根据权利要求1所述的发射器结构，还包括钝化层，所述钝化层位于所述顶部DBR层台面结构上方、用于每个发射器的所述内部台面沟槽内和所述一个或多个外部壕式沟槽内。
13.根据权利要求12所述的发射器结构，其中所述钝化层在所述一个或多个外部壕式沟槽内比在用于每个发射器的所述内部台面沟槽内更厚。
14.根据权利要求12所述的发射器结构，其中所述钝化层包括下部钝化层和位于所述下部钝化层的顶部上的上部钝化层，并且其中所述下部钝化层在所述一个或多个外部壕式沟槽内跨越，并且所述上部钝化层在用于每个发射器的所述内部台面沟槽内和所述一个或多个外部壕式沟槽内跨越。
15.根据权利要求1所述的发射器结构，其中用于所述发射器群集中的第一发射器的所述内部台面沟槽包括台阶状侧壁，所述台阶状侧壁包括跨越所述内部台面沟槽到达至少所述OA层的深度的顶部侧壁和跨越所述顶部DBR层的在所述OA层下方的一部分的底部侧壁，其中所述顶部侧壁比所述底部侧壁分开得更宽，并且所述OA层的所述氧化部分直接从所述顶部侧壁延伸。
16.根据权利要求15所述的发射器结构，还包括从所述顶部侧壁的底部延伸至所述底部侧壁的顶部的台阶表面，其中所述台阶表面是位于所述OA层正下方的半导体层。
17.根据权利要求1所述的发射器结构，其中所述顶部DBR层包括交替的含铝层和非含铝层，包括在所述OA层上方的最靠近的含铝层和在所述OA层下方的最靠近的含铝层，其中在所述OA层上方并且沿着用于第一发射器的所述内部台面沟槽的相对的侧壁的所述最靠近的含铝层比在所述OA层下方并且沿着用于所述第一发射器的所述内部台面沟槽的所述相对的侧壁的所述最靠近的含铝层被氧化得更多。
18.根据权利要求1所述的发射器结构，其中所述发射器结构位于移动电子设备的红外线(IR)投影仪内。
19.一种发射器结构，包括：
发射器群集，所述发射器群集包括多个发射器，所述发射器群集具有在所述多个发射器中的每个发射器之间共享的共用底部分布式布拉格反射器DBR层和顶部DBR层，所述顶部DBR层包括氧化物孔口OA层、交替的含铝层和非含铝层、包括在所述OA层上方的最靠近的含铝层和在所述OA层下方的最靠近的含铝层，每个发射器包括：
内部台面沟槽，所述内部台面沟槽位于所述顶部DBR层中，并且在所述内部台面沟槽内部横向地限定顶部DBR层台面结构；和
其中每个顶部DBR层台面结构的OA层包括非氧化部分和从所述内部台面沟槽的相对的侧壁延伸的氧化部分；
其中在所述OA层上方并且沿着所述内部台面沟槽的所述相对的侧壁的所述最靠近的含铝层比在所述OA层下方并且沿着所述内部台面沟槽的所述相对的侧壁的所述最靠近的含铝层被氧化得更多。
20.根据权利要求19所述的发射器结构，其中每个发射器的所述内部台面沟槽包括台阶状侧壁，所述台阶状侧壁包括跨越所述内部台面沟槽到达至少所述OA层的深度的顶部侧壁和跨越所述顶部DBR层的在所述OA层下方的一部分的底部侧壁，其中所述顶部侧壁比所述底部侧壁分开得更宽，并且所述OA层的所述氧化部分直接从所述顶部侧壁延伸。
21.根据权利要求20所述的发射器结构，还包括从所述顶部侧壁的底部延伸至所述底部侧壁的顶部的台阶表面，其中所述台阶表面是位于所述OA层正下方的半导体层。
22.根据权利要求19所述的发射器结构，所述发射器结构位于移动电子设备的红外线(IR)投影仪内。
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