CN114498298A - 多波长vcsel阵列和制造方法 - Google Patents

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Abstract

制造垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列以产生多个波长。在基板上形成第一分布式布拉格反射器(DBR)，并且在所述第一DBR上形成具有有源区域的光学层。所述光学层具有被配置来生成多个波长的光学特性的变化。为此，在所述第一DBR上形成所述层的第一部分。然后在所述第一部分的表面上形成不同的设定尺寸的特征部(轮廓、阱、沟槽、格栅等)。随后，通过填充所述第一部分的表面上的所述设定尺寸的特征部来形成所述层的第二部分。最后，在所述层的所述第二部分上形成第二DBR。所述光学特性的变化可包括折射率的变化、物理厚度的变化或两者的变化。可照常处理组件以产生具有多个发射器的VCSEL阵列。

Description

多波长VCSEL阵列和制造方法
技术领域
本公开的主题涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)，并且更具体地，涉及能够使用腔内设定尺寸的特征部发射多个波长的VCSEL阵列，并且涉及制造这种VCSEL阵列的方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)是具有单片激光谐振器的半导体激光二极管。VCSEL的典型结构具有上面设置有激光谐振器的基板。基板可来自砷化镓(GaAs)晶片。用于VCSEL的激光谐振器具有两个分布式布拉格反射器(DBR)，所述DBR彼此平行地设置在基板上并且由具有一个或多个量子阱的有源区域分离。两个DBR被相反地掺杂为p型和n型材料，以向形成在激光腔中的二极管结提供对应载流子。DBR中的每一者由具有交替的高低折射率的层组成，并且每个层的厚度为材料中的激光波长的四分之一。
当操作时，电流通过设置在基板上并且设置在第二DBR顶部上的欧姆触点供应给VCSEL。用电流(例如，几毫安)进行电泵浦，有源区域生成在0.5mW至5mW等范围内的输出功率。所生成的激光发射沿着VCSEL的纵轴发生。
VCSEL发射器的阵列可通过使多个发射器布置成二维配置来提供更高的功率输出。所述阵列可具有两个至数百个发射器，并且所述发射器可布置在外部形状内，所述外部形状通常是矩形芯片或其他形状。通常，发射器彼此以给定间距隔开。每个发射器具有小尺寸，并且可提供总输出功率的一小部分。例如根据实现方式，阵列的每个发射器可具有在5-μm与20-μm之间的直径，并且可提供几毫瓦至几十毫瓦之间的输出功率。由于制造限制并且为了减少热量生成，发射器之间的间隔(间距)可能会有所变化。
在晶片级下，VCSEL阵列的制造与在晶片上制造多个单独发射器所采取的步骤相当。制作VCSEL阵列可只需要一些附加的步骤以提供适当的电气连接。
能够发射多个波长的VCSEL阵列受到业界的关注。然而，这种多波长VCSEL阵列的制造呈现了多个挑战。在一个实现方式中，多波长VCSEL阵列通过有意地对一个或多个层的厚度进行分级来制造。此分级厚度会产生导致激光波长变化的腔变化。
作为实例，图12示出根据现有技术的能够发射多个波长的VCSEL 10的横截面。VCSEL 10包括质子植入物12、第一分布式布拉格反射器(DBR)20、有源层30、腔层32和第二分布式布拉格反射器(DBR)40。
如图所示，VCSEL 10能够发射多个波长(例如，λ1、λ2、λ3)。在此类型的装置中，通过在VCSEL 10的单外延生长期间在晶片上引入生长速率梯度来获得多个波长。通过在非平面基板上使用金属有机气相外延(MOVPE)生长或通过使用分子束外延(MBE)生长而不旋转基板，已经实现了分级生长速率。如已知的，MOVPE中所使用的化学气相沉积工艺使用在反应器中以升高的温度组合的反应气体之间的化学反应来生长多个层。反应所得的材料在基板或前一层上沉积为新的层。
特别如图12所示，分级生长速率产生厚度分级层34，所述厚度分级层34位于相反掺杂的DBR 20、40之间。在操作期间，质子植入物12将电流引导到具有多个量子阱的有源区域30中。厚度分级层34在DBR 20、40之间产生腔厚度的变化，这产生所生成的激光波长的变化。
生产具有如上所指出的单生长和分级生长速率的多波长VCSEL具有多个限制。在非平面基板上使用MOVPE调谐生长速率需要所得发射器具有较大间隔距离。对于密集型VCSEL阵列，不期望增加发射器之间的间隔。此外，利用非旋转MBE调谐生长速率需要在生长期间对晶片与材料源之间进行额外的排列控制。对于大批量生产，这可能不切实际或无法实现。
在多波长VCSEL阵列的另一实现方式中，VCSEL被制造成具有带不同侧向尺寸的高对比度格栅，而不是顶部DBR。可针对阵列中的不同激光波长来配置高对比度格栅。参见例如Karagodsky、Vadim等人的“Monolithically integrated multi-wavelength VCSELarrays using high-contrast gratings”，Optics Express 18.2(2010)：第694-699页。
实现VCSEL阵列的多波长发射的又一方法使用两步式外延工艺以及通过用腔控制层生长腔的选择性VCSEL腔蚀刻来制造VCSEL。例如，图13A至13D示出在根据现有技术的制造阶段期间能够发射多个波长的VCSEL 50的示意性横截面。制造的详情在E.G.Lee等人的“Compactly packaged monolithic four-wavelength VCSEL array with 100-GHzwavelength spacing for future-proof mobile fronthaul transport”，OpticsExpress第23卷，第1期，第284-291页(2015)中提供。
如图13A所示，制造工艺生产底部分布式布拉格反射器(DBR)60、腔层72和74之间的有源层70以及多个腔控制层52a-d。为了从单个VCSEL 50获得四个不同的波长，使用了腔控制层的四个分层对52a-d。在生长腔控制层52a-d之后，然后使用选择性蚀刻技术来选择性地蚀刻分层对52a-d。如图13B所示，使用二进制编码的选择性湿法蚀刻的两次迭代来选择性地蚀刻54a两个分层对52c-d。
如图13C所示，然后通过对位于不同区处的腔控制层对52a-d应用二进制编码的选择性湿法蚀刻来获得VCSEL 50的不同腔长度54a-d。为了完成如图2D所示的VCSEL 50，在再生长期间在腔控制层52a-d上形成顶部DBR 80，并且执行另外的腔蚀刻。最后，这里通过改变腔厚度来改变VCSEL波长。
如图13A至图13D可见，用于选择性VCSEL腔蚀刻的腔控制层54a-d的介绍需要复杂的腔设计和生长，并且可在针对顶部DBR 80进行过度生长之前使用多步式选择性蚀刻工艺。在此情况下，可能的波长的数量受限于在制造期间所使用的此类腔控制层54a-d的数量，并且受限于所需的多个选择性蚀刻步骤的复杂工艺，从而使得这是一种困难的方法。
需要一种能够发射多种波长的VCSEL阵列，所述阵列的生产需要不太复杂的结构和制造。为此，本公开的主题涉及克服或至少减少以上所陈述的问题中的一者或多者的影响。
发明内容
根据本公开的方法用于制造垂直腔面发射激光器(VCSEL)组件，所述组件可包括一个或多个可单独寻址的VCSEL发射器、具有多个发射器的一个或多个可单独寻址的阵列或其他类型的装置。在所述方法中，在基板上形成第一分布式布拉格反射器(DBR)，在所述第一DBR上形成光学层，并且在所述光学层上形成第二DBR。所述光学层具有有源区域。
为了形成所述光学层，在初始生长阶段期间在所述第一DBR的至少一部分上形成所述光学腔的第一部分。在蚀刻阶段中，在所述光学层的所述第一部分的表面上蚀刻多个设定尺寸的特征部。例如，这些设定尺寸的特征部(轮廓、腔、沟槽、阱、格栅等)可在包括光刻微影步骤和蚀刻步骤(例如，湿法蚀刻或反应性离子蚀刻到基于定时蚀刻速率的深度)的单个蚀刻工艺中形成。然后，在过度生长阶段中，通过填充所述第一部分的所述表面上的所述设定尺寸的特征部来形成所述光学层的第二部分。所述光学层的此第二部分实际上可包含恰好在所述设定尺寸的特征部上形成所述第二DBR的层，或者可包含形成然后在上面形成所述第二DBR的不同包覆或束缚层。
通过形成并填充所述设定尺寸的特征部，可产生所述光学层的光学特性的变化，其中这些变化被配置来生成多个输出波长。例如，所述光学特性的所述变化可包括折射率的变化、光学厚度的变化以及折射率和光学厚度两者的变化。
本公开的实施方案包括通过所公开的方法制造的垂直腔面发射激光器(VCSEL)发射器并且包括通过所公开的方法制造的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。
根据本公开的装置可用于响应于电流以多个波长生成VCSEL发射。所述装置包括基板、第一分布式布拉格反射器(DBR)、光学层和第二DBR。所述第一DBR设置在所述基板上，并且所述光学层设置在所述第一DBR的至少一部分上。所述光学层包括响应于所述电流的有源区域，并且所述第二DBR设置在所述光学腔上。
所述光学层的第一部分邻近所述第一DBR设置，而所述光学层的第二部分设置在所述第一部分的表面与所述第二DBR之间。多个设定尺寸的特征部被限定在所述表面中以产生所述光学层的光学特性的变化。继而，所述光学特性的这些变化被配置来在所生成的VCSEL发射中产生多个输出波长。
前述概述并非意图概述本公开的每个潜在实施方案或每个方面。
附图说明
图1示出根据本公开的具有发射器的VCSEL阵列的示意图。
图2示出根据本公开的VCSEL发射器的横截面。
图3示出根据本公开的VCSEL的一部分的细节。
图4是描绘根据本公开的用于制造VCSEL阵列的工艺的流程图。
图5A示出第一DBR与第二DBR之间的本公开的光学腔的示意图。
图5B至图5C示出第一DBR与第二DBR之间的本公开的光学腔的其他示意图。
图6A至图6C示意性地示出实现本公开的波长调谐的布置。
图7用图表表示对唯一蚀刻和过度生长的晶片测量的法布里-珀罗倾角附近的实验反射率光谱。
图8A至图8C示出在制造期间具有蚀刻版画的所公开的VCSEL阵列的层的配置的详细横截面。
图9A至图9B示出在腔部分的平面中形成为每单位面积具有不同宽度的沟槽的设定尺寸的特征部的平面图。
图10A至图10B示出在腔部分的平面中形成为每单位面积具有不同宽度的晶格的设定尺寸的特征部的平面图。
图11A至图11C示出在制造期间具有蚀刻版画的所公开的VCSEL阵列的层的替代配置的详细横截面。
图12示出根据现有技术的能够发射多个波长的VCSEL的横截面。
图13A至13D示出根据现有技术的在制造阶段期间能够发射多个波长的VCSEL的横截面。
具体实施方式
图1示出根据本公开的具有多个发射器102的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列100。如所指出，VCSEL阵列100可通过在阵列100的基板上以一维或二维布置方式布置多个发射器102来提供更高功率。如将了解，阵列100可包括具有几个至数百个此类发射器102的芯片。取决于其中要使用阵列100的整个装置或特定应用，其他配置是可能的。由每个发射器102生成的激光束104可由微透镜106阵列准直。
VCSEL阵列100可被配置来提供期望范围的波长。在一个实例中，VCSEL阵列100可被配置来提供小范围的多个波长。这可通过类似x乘以3nm至5nm的方式提供明显的(密集型)波长间隔。VCSEL阵列100的小范围波长也可用于补偿阵列100内的由于温度梯度所致的波长扩展。
图2示出本公开的VCSEL发射器102的示意性横截面。这种发射器102将与其他发射器一起存在于如上所指出的VCSEL阵列上。VCSEL发射器102包括基板110、第一分布式布拉格反射器(DBR)或反射镜120、具有有源区域的光学腔130和第二分布式布拉格反射器(DBR)或反射镜150。
基板110可由绝缘材料、非绝缘材料等构成。第一DBR 120设置在基板110的表面112上。具有有源区域的光学腔130至少部分地设置在第一DBR 120的表面122上，并且第二DBR 150设置在腔130上。
通常，第一DBR 120和第二DBR 150各自包括具有不同折射率的一组交替的两种半导体材料的外延生长层。每个层具有被配置为VCSEL发射器102的操作参数(例如，操作波长)的厚度。
所述元件在纵轴A上排列，激光辐射沿着所述纵轴A发射。在本实例中并且通常，可在腔130的有源区域与第二DBR 150之间形成孔径层160以将电流流动束缚到VCSEL发射器102的中心区域。如将了解，可使用用于在VCSEL发射器102中形成孔径和束缚电流的各种技术。
第一欧姆触点170邻近第一DBR 120设置并且可以多种方式布置。例如，第一欧姆触点170可放置在基板110上的部分变薄区上，或者第一欧姆触点170可以是形成到第一DBR120的下表面的背面欧姆触点。可使用其他相邻布置。
第二欧姆触点180邻近第二DBR 150设置并且可以多种方式布置。例如，此触点180可以是环形形状并且可设置在第二DBR 150的侧面152上的触点层182上。可使用其他相邻布置。
在基板110不是绝缘体的实现方式中，基板110、第一DBR 120和第一欧姆触点170通常是一种导电类型，例如，n型，而第二DBR 150和第二欧姆触点180是相反的导电类型，即，p型。
可使用多个常规部件，诸如任何电触点、金属区域、通路孔、用于泵浦的电极、用于电流束缚的结构等，并且为了简单起见可未示出。除了这里所描绘的那些之外，可使用常规部件的布置。也可制造底部发射VCSEL。
与常规一样，VCSEL发射器102的元件可成形为所谓的台面或气柱配置，其中腔130、第二DBR 150和第二欧姆触点180的侧向尺寸明显小于第一DBR 120和基板110的侧向尺寸。此配置在VCSEL发射器102的制造期间形成。
在DBR 120、150中的连续层之间的界面处反射的辐射之间的光学干涉使每个DBR120、150成为高效反射器。因此，DBR 120、150形成激光腔。当跨欧姆触点170、180施加合适的电流时，光学腔130的具有量子阱的有源区域生成光，并且用作激光反射镜的导电DBR120和150为腔体130中的放大层提供光学反馈。通过使用第二DBR 150的台面蚀刻连同离子植入或孔径的选择性侧向氧化，可将电流束缚在有源区。激光发射从第二DBR 150发生，所述第二DBR 150与第一DBR 120相比具有更少层并且因此具有更低反射率。
根据本公开的教导内容，使用设定尺寸的特征部来局部修改光学腔130的光学特性，所述设定尺寸的特征部通过将光学腔130的生长分成由蚀刻步骤分离的两个子生长步骤而形成。(这些设定尺寸的特征部可包括轮廓、腔、阱、沟槽、格栅等。)此方法与所使用的生长速率无关并且可允许输出波长的灵活控制。当在具有多个发射器102的VCSEL阵列100中实现时，发射器102之间的间隔和波长之间的间隔不需要较大距离，因为制造不受在本公开的背景技术中指出的现有技术中发现的调谐生长速率的复杂性约束。事实上，当前方法允许在一个选择性蚀刻步骤中限定不同波长。此外，在过度生长之后，可使用标准VCSEL制造工艺。
例如，图3示出在制造期间VCSEL层的细节，并且揭示用于提供VCSEL阵列(100)的VCSEL发射器(102)的第一DBR 120、腔130和第二DBR 150的部分。
光学腔130包括在腔层132、136之间的有源区域134。有源区域134通常在另一种材料的势垒层之间包括呈适当材料的薄量子阱层形式的一个或多个量子阱。有源区域134可包括量子点、量子破折号等。取决于实现方式，适当材料的一些实例包括GaAs、InGaAs、AlGaAs等。
根据本公开，有源区域134与第二DBR 150之间的腔层136在其生长阶段已经被设定尺寸的特征部140修改，所述设定尺寸的特征部140在层136内部被图示。如图所示，设定尺寸的特征部140具有提供不同填充因子FF的深度和宽度的尺寸。在此实例中，表示了0.25、0.5和0.75的三个填充因子FF。可在设定尺寸的特征部140中形成更少或更多的这些填充因子FF，并且它们可以与所描绘的不同方式布置。
在制造期间在有源区域134上生长腔层136的第一部分136a之后，产生设定尺寸的特征部140。如下所论述，设定尺寸的特征部可以是通过光刻和蚀刻形成的特征部。替代地，设定尺寸的特征部可通过电子束微影、纳米压印微影或其他工艺形成。然后，通过生长控制层136的剩余部分136b，之后在上面生长第二DBR 150来填充设定尺寸的特征部140。通过增加设定尺寸的特征部140的填充因子FF，被蚀刻掉的材料变少。在腔层136的剩余部分的过度生长之后，更少蚀刻掉的材料可产生局部更厚的腔厚度(Λ)。同样，具有设定尺寸的特征部140的光学腔130中的不同折射率的材料的初始生长和过度生长可产生折射率的局部变化。最后，不同填充因子FF可导致生成不同的法布里-珀罗波长。
在此实例中，三个填充因子FF导致三个增加的法布里-珀罗波长(λ1、λ2、λ3)。可产生更少或更多的这些法布里-珀罗波长。概括地说，根据本公开可通过在光学腔130的局部区中使用不同填充因子FF来实现多个波长，从而得到不同局部腔厚度(Λ)和/或不同局部折射率，从而产生不同的法布里-珀罗波长。
了解了VCSEL阵列、发射器及它们的结构和制造的一些细节后，论述现在转向另外的细节。特别地，图4是描绘根据本公开的用于制造VCSEL阵列100的工艺200的流程图。为简洁起见，可已省略VCSEL阵列100的制造中的许多处理细节，但对于本领域那些技术人员将是熟悉的。为了理解起见，在制造工艺200的描述中引用了如其他图中所描绘的VCSEL阵列100的元件、发射器等。
作为典型的起点，半导体材料的晶片诸如n型GaAs可用作基板110，并且可在晶片中同时形成众多相同的装置(例如，发射器102的阵列100)，这些装置中的每一者可包括本文所公开类型的一个或多个VCSEL发射器102。在图5A的工艺200中完成晶片的处理之后，可将晶片分解成单独的装置(例如，VCSEL阵列100)。如将显而易见，晶片的一部分用作每个装置的基板100。
制造工艺200包括初始生长阶段(210)、蚀刻阶段(220)和过度生长阶段(230)。最终，工艺200可以VCSEL处理步骤(240)结束，所述VCSEL处理步骤(240)制备组件的各种结构以用作VCSEL装置。
在初始生长阶段(210)中，在基板110的表面112上形成第一分布式布拉格反射器120(框212)。为此，通过外延地生长具有不同折射率的交替的第一材料层和第二材料层来形成第一DBR 120。每个层的厚度是要由VCSEL 100发射的辐射波长的四分之一。就n-GaAs基板110而言，第一材料和第二材料的层可以是n型AlGaAs和GaAs的层。如将了解，可根据需要使用其他材料。
在第一DBR 120完成时，在第一DBR 120上形成具有有源区域134的第一腔层132(框214)。第一腔层132可以是形成在第一DBR 120的表面122上的适当材料(例如，AlGaAs)的下部包覆或束缚层。有源区域134形成在下部包覆层132上并且可包括若干量子阱的薄层。这些薄层可具有约10nm或更小的厚度，并且可包括用于量子阱和势垒的层。在此步骤中，也在有源区域130上形成上部包覆或束缚层136a的至少第一部分。
此时，停止初始生长阶段(210)，并且在上部包覆层的第一腔部分136a的平面上形成设定尺寸的特征部140(框220)。设定尺寸的特征部140可使用光刻和蚀刻、电子束微影、纳米压印微影、其他工艺或它们的组合(如果可行的话)来形成。在蚀刻特征部140以及在设定尺寸的特征部140上过度生长的这些步骤中产生第一变化和第二变化中的至少一者。特别地并且如上面所暗示的，腔厚度和/或折射率发生改变，这使光学腔130的特性发生变化。变化和蚀刻工艺的特定细节将参考图5A至图5C、图6A至图6C、图7、图8A至图8C、图9A至图9B、图10A至图10B和图11A至图11C分开论述。
在设定尺寸的特征部140形成时，工艺(200)进行到过度生长阶段(230)。这里，通过在第一腔部分136a的平面上的设定尺寸的特征部140上形成上部包覆层的剩余腔部分136b来完成腔130(框232)。在一些情况下，第二DBR 150可直接在设定尺寸的特征部140上生长，使得剩余腔部分136b的不同形成步骤将是不必要的。相反，形成第二DBR 150将包括直接在设定尺寸的特征部140上形成其层。
在腔130完成时，过度生长阶段(230)继续使第二DBR 130形成在腔130及其有源区域134上方(框234)。形成第二DBR 150通常使用与在形成第一DBR 120时所使用的相同的材料和相同的工艺。然而，第二DBR 150中的层数可并且通常大于第一DBR 120中的数量，因此从第二DBR 150发生激光发射。当然，如果与第一DBR 120中存在的层相比第二DBR 150中存在的层更多，则可实现底部发射。而且，第二DBR 150的层具有相反的导电类型。
VCSEL处理阶段(240)然后可追随完成VCSEL 100。此处理阶段(240)中的步骤可根据实现方式和将进行电连接的方式而发生变化。取决于实现方式，步骤的次序可与下面所描述的次序不同。
通常，可去除用于第二DBR 150的层的部分和具有有源区域134的光学腔130以形成用于先前所指出的VCSEL的最终台面形状(框242)。通常，使用光刻或其他工艺来执行第二DBR 150和腔130的图案化。
如果要形成孔径，则这可在工艺200中的适当点处完成(框244)。例如在一些工艺中，可在腔130与第二DBR 150之间形成给定材料(诸如AlAs或AlGaAs)的不同层。通过使此不同层暴露于热水蒸气气氛中，随后可将所述层氧化以形成氧化孔径。对于微影孔径VCSEL，在蚀刻微影孔径之前，在单独的步骤中限定设定尺寸的特征部140。(这可在工艺阶段220中与格栅特征部的蚀刻一起或在单独的微影步骤中完成。)作为替代方案，可通过离子植入或通过氧化工艺形成孔径。
继续VCSEL处理(240)，可在组件上形成触点(框246)。例如，一层接触金属可形成在VCSEL的上表面上并且放置成与第二DBR 150的上表面欧姆接触。
其他触点可以多种方式形成，并且可形成另外的特征部。例如，如通过引用并入本文的美国专利号9,705,284和10,439,360中所公开的技术可用于形成多个特征部，诸如抗反射涂层、通路孔、绝缘材料、导电触点、基板110中的开放区域等。最后，然后分割晶片以分离单独的VCSEL阵列以用于最终集成到其他装置和组件中(框248)。
如先前所指出，改变根据本公开的光学腔130的光学特性包括(i)使用由设定尺寸的特征部140产生的填充因子(FF)和所得光学厚度(Λ)的变化来产生不同波长和/或(ii)使用由设定尺寸的特征部140产生的填充因子(FF)和所得折射率(n)的变化来产生不同波长。这些变化取决于多个变量，诸如层数、层的厚度、层中所使用的材料、期望的波长、特征部140相对于单位面积的二维方面、特征部140相对于单位面积的深度(d)等。变量的配置取决于实现方式的详情。
总的来说，可通过改变设定尺寸的特征部140的填充因子FF来配置光学腔130的光学特性。光学特性可局部表征为n×d，其中n是腔130的局部折射率，并且d是腔130的局部物理厚度。此光学特性可通过物理厚度d的改变、折射率n的改变或两者的改变来更改。光学特性的变化导致各种法布里-珀罗波长。
在根据本发明技术制造腔130时，使用设定尺寸的特征部140来局部更改物理厚度d。因此，法布里-珀罗波长的移位由蚀刻掉的材料的平均光学厚度给出。
为了更详细地展示这些变化，现在参考图5，其示出在第一DBR 120与第二DBR 150之间具有本公开的设定尺寸的特征部140的光学腔130的示意图。如本文所公开，光学腔130的初始生长以折射率n0的层136a终止。使用具有蚀刻填充因子FF的设定尺寸的特征部140在深度d处部分蚀刻此层136a。如本文所公开，填充因子FF被定义为未蚀刻面积相对于总面积(即，给定单位面积中的蚀刻面积和未蚀刻面积的总和)之间的比率。然后用具有折射率n1的材料的层136b、之后进一步通过第二DBR 150的生长来过度生长设定尺寸的特征部140的图案。
光学腔130的所得结构等效于三层结构，其中部分蚀刻的层可被建模为折射率ng且厚度dg的均匀薄层135。当在同一晶片上制造时，局部改变填充因子FF会修改蚀刻层135的局部厚度dg和/或折射率ng。腔的光学特性的总变化ΔA然后可通过蚀刻层的光学厚度变化Λg的变化给出。
如模型示出，等效蚀刻层135的光学特性的变化Λg可通过物理厚度(d)的变化和折射率(n)的变化两者来调节。这可表征为：
m×Δλ＝ΔΛ＝Λg
Λg＝ng×dg
其中：ng＝n0FF+n1(1-FF)，并且
dg＝d×FF。
m是包含在腔中的空间波周期(或波长)的数量；
Δλ是法布里珀罗波长的移位，其中没有蚀刻的波长是参考波长；
n×d是光学特性，其中n是腔的折射率，并且d是蚀刻深度；并且
如这里所使用的FF是表示设定尺寸的特征部的非蚀刻、非凹陷或非压印表面的填充因子。
这里，折射率n0优选地大于n1，使得两个变化(即，折射率变化和物理厚度变化)不会相互抵消。在一些情况下，初始折射率n0小于其他折射率n1可以是优选的。
图5B至图5C示出第一DBR 120与第二DBR 150之间的本公开的光学腔130的其他示意图。如先前所指出并且同样如图5B所示，设定尺寸的特征部140可限定在有源区域134的QW生长与第二DBR 150之间。在图5C所示的另一布置中，设定尺寸的特征部140可限定在第一DBR 120与有源区域134的QW生长之间的腔130中。
取决于实现方式，图6A至图6C中所公开的布置可实现本公开的波长调谐。例如，如图6A所示，初始生长的最后一层136a和过度生长的第一层136b共享相同折射率n0。在此情况下，仅物理腔厚度(dg)因设定尺寸的特征部140而局部变化，从而导致波长变化。
如图6B所示，某些过度生长条件可使过度生长层136b的表面平坦化。在此情况下，如果一个折射率n0不等于腔130的另一折射率n1，则光学腔130的光学特性仅根据折射率的变化进行调整，从而导致波长变化。
如图6C所示，具有与折射率(n1)相比不同的折射率(n0)的相对薄层137形成在初始腔层136a上。如先前所提及，优选的是，此薄层135与腔130的其余部分相比具有更高折射率，以防止物理厚度变化抵消折射率变化。在不同折射率(n0)的相对薄层137上完成设定尺寸的特征部140的蚀刻，之后进行具有折射率(n1)的过度生长腔层136b的过度生长。此布置也导致波长变化。
图6A至图6C的这些布置中的光学腔130的光学特性的变化给出了在垂直发射方向上的谐振波长的变化。因此，所发射波长可用由设定尺寸的特征部140产生的局部蚀刻填充因子FF进行局部调谐，如本文所公开。设定尺寸的特征部140可不会被特别地配置来在侧向方向上产生任何形式的谐振条件。
图7用图表表示根据本公开的教导内容的对唯一蚀刻且过度生长的晶片测量的法布里珀罗倾角附近的实验反射率光谱。蚀刻填充因子FF从100％(未蚀刻)朝完全蚀刻的变化在法布里珀罗反射率倾角中产生蓝移，所述蓝移在此示例性实现方式中是从950nm至930nm。只要波长保持在DBR的阻带内，就可通过使用蚀刻深度以及光学腔130的生长层136a和过度生长层136b的折射率之间的差来根据需要配置法布里珀罗倾角的范围。如所指出，填充因子FF用于改变法布里珀罗范围。
如所指出，外延结构的生长被分成两个子生长步骤，在它们之间执行蚀刻步骤。用于产生一个这种配置的结构和制造步骤的细节在图8A至图8C中示出。
总体上在图8A至图8C中，设定尺寸的特征部140可具有从几微米(μm)下降到1纳米(nm)的十分之一的物理尺寸(深度d和宽度W)。通常并且取决于实现方式，特征部140的尺寸可以是≤λ或＞λ(感兴趣的波长)。填充因子FF由设定尺寸的特征部140的重新分区给出。此重新分区可以是周期性的或随机的。填充因子FF可通过任意步骤从0变为1，从而限定在一个晶片上限定的可能的波长的数量。
如上所述，本公开的设定尺寸的特征部140可具有多种形状和配置，诸如腔、沟槽、凹槽、晶格、格栅或其他轮廓。作为实例，约2μm的单位周期(W0)可用于变化的填充因子。设定尺寸的特征部140a-b可通过反应离子蚀刻被蚀刻为约15nm至30nm的深度(d)的沟槽。
在图8A至图8C中的每一者中，制造工艺(200)中的初始生长阶段(210)包括生长第一(底部)DBR 120、下部腔层132、有源区域134和初始上部腔部分136a。(所描绘的层的厚度仅被提供用于说明。)然后对初始部分136a执行蚀刻阶段(框220)。蚀刻步骤可使用微影和选择性蚀刻来限定具有不同填充因子的设定尺寸的特征部140，以最终修改腔特性。如已知的，光学微影是一种基于光子的技术，其中将期望的图像投影或投射阴影到涂覆在受处理表面上的感光乳剂(光刻胶)或掩模中。然后，使用反应离子蚀刻来限定受处理表面的未掩蔽区域中的设定尺寸的特征部140。可使用湿法蚀刻。而且，反应离子蚀刻可以是优选的，因为它是具有良好选择性和蚀刻速率的各向异性工艺。
图8A至图8C示出呈轮廓144a-c形式的不同设定尺寸的特征部140，诸如腔、沟槽、凹槽、晶格、格栅等，它们在有源区域134上方的初始腔部分136a的平坦表面142中周期性地间隔。在图8A中，轮廓144a被蚀刻成跨初始腔部分136a的平面142彼此平行地延伸并且被蚀刻成相对于给定间隔(W0)具有第一宽度(W1)。轮廓144a被蚀刻到平面142中的给定深度(L)。这里，第一宽度(W1)大约为给定间隔(W0)的75％，在此实例中可给出25％的填充因子。
在图8B中，轮廓144b被蚀刻成跨初始腔部分136a的平面142彼此平行地延伸并且被蚀刻成相对于给定间隔(W0)具有第二宽度(W2)。轮廓144b被蚀刻到平面142中的给定深度(L)。这里，第二宽度(W2)大约是给定间隔(W0)的50％，这可给出50％的示例性填充因子。
在图8C中，轮廓144c被蚀刻成跨初始腔部分136a的平面142彼此平行地延伸并且被蚀刻成相对于给定间隔(W0)具有第三宽度(W3)。轮廓144c被蚀刻到平面142中的给定深度(d)。这里，第三宽度(W3)大约是给定间隔(W0)的25％，这可给出75％的示例性填充因子。
如上所指出，过度生长遵循设定尺寸的特征部140的此蚀刻以完成上部腔层(136)的剩余部分(136b)以及第二(顶部)DBR。当多个此类蚀刻轮廓144a-c跨有源区域(134)和腔层(132,136)的平面布置在DBR(120,150)之间时，本文所指出的不同波长可由在制造中生成的腔厚度(Λ)和/或折射率(n)的变化产生。
在以上实例中，为了简单起见，仅示出几个设定尺寸的特征部140，并且设定尺寸的特征部140被示出为图案化且均匀的并且被示出为布置在一个方向上。如在受益于本公开的情况下将了解，在制造期间可在晶片级使用其他几何布置。通常，设定尺寸的特征部140可在平面中限定交替深度的多个阶台。可形成更多或更少的单个设定尺寸的特征部140以产生填充因子，并且设定尺寸的特征部140可更随机地布置，同时仍然实现每单位面积期望的填充因子。此外，蚀刻特征部140可在腔层134的平面上以多于一个方向布置。
在以上实例中，已经参考了设定尺寸的特征部140的一般深度(d)。此深度(d)可通过蚀刻工艺的已知蚀刻速率来控制，使得蚀刻工艺的定时可控制所产生的蚀刻深度(d)。
图9A至图9B示出在腔部分的平面中形成为每单位面积具有不同宽度的细长轮廓144a-b的设定尺寸的特征部140a-b的平面图。在图9A中，暗区域表示轮廓或沟槽144a。在一个实例中，可在约2.5μm的总周期宽度W0内以具有约20nm的深度(d)并且具有约2μm的宽度W1的蚀刻沟槽144a来实现0.20的填充因子FF。相比之下，可在约2.5μm的总周期宽度W0内以具有约20nm的深度(d)并且具有约0.5μm的宽度W1的如图9B所示的蚀刻沟槽144a来实现0.80的填充因子FF。
为了比较，图10A至图10B示出在腔部分的平面中形成为每单位面积具有不同宽度的轮廓的晶格的设定尺寸的特征部140c-d的平面图。如将了解，本公开的蚀刻特征部可具有这些和其他配置。
对于已经用特征部140蚀刻了约15nm深度(d)的区(并且当然取决于其他实现方式细节)，FF＝0.2可得到约932nm的腔波长λFP(图7)，而FF＝0.8可得到约943nm的腔波长λFP。当FF＝1(无蚀刻)和FF＝0(完全蚀刻)时，λFP可分别为约950nm和930nm，这表明在发射器的给定VCSEL阵列上在约20nm窗口中改变波长的可能性。改变蚀刻深度(d)可改变可能的波长跨度。例如，将蚀刻深度(d)加倍也可使可能的波长跨度加倍。
在先前实例中，设定尺寸的特征部140的深度(d)通过定时蚀刻工艺来控制。可使用其他技术。例如，图11A至图11C示出在制造期间具有蚀刻版画的所公开的VCSEL的层的替代配置的详细横截面。
在图11A至图11C中的每一者中，制造工艺(200)中的初始生长阶段(210)包括生长第一(底部)DBR 120、下部腔层132、有源区域134和初始上部腔部分。(所描绘的层的厚度仅被提供用于说明。)在本配置中，初始上部腔部分可包括有源区域134上的包覆层136c并且包括一个或多个控制层对138a-b。
对控制层对138a-b执行蚀刻步骤(框220)。蚀刻步骤可使用光学微影和选择性蚀刻来限定具有不同填充因子的蚀刻特征部以修改腔波长。
图11A至图11C示出在有源区域134上方的初始腔部分的平坦表面142中周期性间隔的不同蚀刻特征部144a-c。在图11A中，特征部144a被蚀刻成跨初始腔部分中的一个控制层对138b的平面142彼此平行地延伸并且被蚀刻成相对于给定间隔(W0)具有第一宽度(W1)。蚀刻可使用选择性湿法蚀刻工艺或其他蚀刻技术的迭代。通过在一个控制层对138b中进行蚀刻，蚀刻特征部144a的深度(d)可很好地限定到平面142中。这里，第一宽度(W1)大约为给定间隔(W0)的75％，在此实例中可给出25％的更低填充因子。图11B中的特征部144b和图11C中的特征部144c可以不同间隔相当地配置在一个控制层对138b中以提供不同填充因子。
深度(d)的控制可通过选择性地蚀刻控制层对138a-b中的一者或多者来实现。可提供更多层以允许更大的蚀刻深度(d)。如将了解，控制层对138a-b中的两个层可由不同材料组成，从而当暴露于不同反应蚀刻步骤时充当彼此的停止层。
如本领域技术人员在受益于本公开的情况下将了解，可使用各种工艺来形成DBR120、DBR 150、光学腔130和有源区域134，所述工艺包括金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。为了束缚电流的流动，可使用各种技术，诸如离子植入、微影孔径和氧化孔径。可使用不同技术来形成第一欧姆触点170和第二欧姆触点180或将接触金属层182与欧姆触点180连接。通常，可使用常规光刻工艺来图案化接触金属。
执行某些制造步骤的次序可发生变化。除了GaAs材料系统之外，还提供多种其他材料系统，包括使用InP、GaAs/InGaP、GaSb、GaInNAs(Sb)、InGaAlAs、AlGaInP和GaN/AlInGaN的系统。此类系统和其他系统的详情可在R.Michalzik(ed.),VCSELSFundamentals,Technology and Applications of Vertical Cavity Surface-EmittingLasers(Springer,2013)中发现。
根据本公开的教导内容，可通过将学光腔130的形成分成由用于设定尺寸的特征部140的蚀刻步骤分离的两个子生长(图4中的阶段210、230)来局部修改光学腔厚度(Λ)和/或折射率(框220)。此方法与生长速率无关，并且可允许激光波长的灵活控制。VCSEL阵列100的发射器(102)之间的间隔与它们的所得波长不需要较大距离，因为制造工艺(200)不受在本公开的背景技术中指出的现有技术中发现的调谐生长速率的复杂性限制。事实上，当前方法允许在一个选择性蚀刻步骤中限定不同波长(框220)。此外，在过度生长(230)之后，可使用标准VCSEL制造工艺(240)。
如本文所公开，腔130的生长速率不需要发生变化。然而，在替代配置中，选择性生长仍然可结合特征部140的蚀刻使用以实现填充因子。例如，当过度生长阶段(230)完成腔130的剩余部分136b时，可使用变化的生长速率来进一步更改腔130的光学厚度(Λ)，使得可高于变化的生长应用设定尺寸的特征部140。如果可行，则至少初始上部腔136a的初始生长可视情况使用变化的生长速率，使得可高于变化的生长应用设定尺寸的特征部140。总之，蚀刻步骤(220)之间的生长步骤(210,230)可使用选择性区生长。对于一些实现方式，可使用单外延运行来形成多个量子阱(MQW)。
根据本公开的教导内容，通过在制造工艺(200)中的两个外延生长步骤之间以变化的填充因子蚀刻特征部140来实现腔波长控制。这些设定尺寸的特征部140在定义上可以是一维的或二维的，并且可以是周期性的、准周期性的或随机的。例如，棋盘图案可通过重复暴露和蚀刻来产生。此腔波长控制独立于VCSEL制造工艺200。此外，如已经指出的，腔波长控制可与氧化孔径VCSEL或微影孔径VCSEL一起使用。
优选和其他实施方案的前述描述并非旨在限制或约束申请人所构思的发明概念的范围或适用性。在受益于本公开的情况下将了解，根据所公开的主题的任何实施方案或方面的上述特征可在所公开的主题的任何其他实施方案或方面中单独地或与任何其他所描述的特征组合利用。
作为公开本文所包含的发明概念的交换，申请人希望所有专利权由所附权利要求提供。因此，所附权利要求意图包括所有修改和变更，以在最大程度上使它们完全落入以下权利要求或其等同物的范围内。

Claims (22)

1.一种用于制造能够进行光学发射的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的方法，所述方法包括：
在基板上形成第一分布式布拉格反射器(DBR)；
通过以下项在所述第一DBR上形成具有有源区域的光学层：
在所述第一DBR上形成所述光学层的第一部分；
在所述第一部分的表面上形成多个设定尺寸的特征部，所述设定尺寸的特征部中的至少一个不同于所述其他设定尺寸的特征部；并且
通过填充所述第一部分的所述表面上的所述设定尺寸的特征部来形成所述光学层的第二部分；以及
在所述光学层上形成第二DBR。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述设定尺寸的特征部产生所述光学层的光学特性的变化，所述变化被配置来在所述VCSEL的所述光学发射中生成多个波长。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述光学特性的所述变化包括所述光学层的折射率的变化、物理厚度的变化、或折射率和物理厚度两者的变化。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述设定尺寸的特征部包括在所述光学层的所述第一部分的所述表面中限定的轮廓、腔、阱、沟槽和格栅中的一者或多者。
5.如权利要求1所述的方法，其还包括：在所述有源区域与所述第二DBR之间形成孔径层以及在所述孔径层中形成孔径，所述孔径被配置来沿着纵轴束缚电流。
6.如权利要求1所述的方法，其还包括：使用离子植入、氧化工艺或微影工艺形成孔径。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括：
邻近所述第一DBR形成至少一个第一欧姆触点；以及
邻近所述第二DBR形成至少一个第二欧姆触点。
8.如权利要求1所述的方法，其中形成所述第一DBR和所述第二DBR中的每一者包括：形成具有不同折射率并且具有被配置为所述阵列的操作参数的厚度的交替材料层。
9.如权利要求1所述的方法，其中形成所述光学层的所述第一部分包括：
在所述第一DBR上形成第一包覆层；
在所述第一包覆层上形成具有多个量子阱的所述有源区域；以及
在所述有源区域上形成第二包覆层。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述光学层的所述第一部分的所述表面上形成所述设定尺寸的特征部包括：
用光刻在所述第二包覆层的表面上限定所述设定尺寸的特征部，以及使用蚀刻工艺在所述第二包覆层的所述表面中蚀刻所限定的特征；
使用电子束微影在所述第二包覆层的所述表面上限定所述设定尺寸的特征部，以及使用蚀刻工艺在所述第二包覆层的所述表面中蚀刻所限定的特征；或
使用纳米压印微影在所述第二包覆层的所述表面上限定所述设定尺寸的特征部，以及使用蚀刻工艺在所述第二包覆层的所述表面中蚀刻所限定的特征。
11.如权利要求10所述的方法，其中通过填充所述设定尺寸的特征部形成所述光学层的所述第二部分包括：在具有所述设定尺寸的特征部的所述表面上形成第三包覆层。
12.如权利要求11所述的方法，其中在所述表面上形成所述第三包覆层包括：形成具有折射率的所述第三包覆层，所述折射率(i)与所述第二包覆层的折射率相当，(ⅱ)大于所述第二包覆层的所述折射率，或(iii)小于所述第二包覆层的所述折射率。
13.如权利要求1所述的方法，其中形成所述光学层的所述第二部分包括：
使用金属有机气相外延(MOVPE)或分子束外延(MBE)来外延地生长所述第二部分。
14.如权利要求1所述的方法，其中形成所述光学层的所述第二部分包括：
在所述设定尺寸的特征部上形成所述第二DBR的至少一个层，所述第二DBR的所述至少一个层构成所述光学层的所述第二部分。
15.如权利要求1所述的方法，
其中形成所述光学层的所述第一部分包括：
在所述第一DBR上形成第一包覆层，所述第一包覆层具有第一折射率，以及
在所述第一包覆层上形成第二包覆层，所述第二包覆层具有大于所述第一折射率的第二折射率；
其中在所述光学层的所述第一部分的所述表面上形成所述多个设定尺寸的特征部包括在所述第二包覆层上形成所述多个设定尺寸的特征部；并且
其中形成所述光学层的所述第二部分包括在所述第二包覆层上形成第三包覆层以及填充所述设定尺寸的特征部，所述第三包覆层具有与所述第一折射率相当的第三折射率。
16.如权利要求1所述的方法，其中在所述表面上形成所述设定尺寸的特征部包括：在所述表面的表面积上限定多个轮廓，所述多个轮廓跨所述表面积具有至少多个宽度。
17.如权利要求16所述的方法，其中限定所述多个轮廓包括：
在所述表面中限定具有至少一个深度的所述多个轮廓；
以随机图案、以均匀图案或在一个或多个方向上限定所述轮廓；或
在所述表面中限定具有交替深度的多个阶台。
18.如权利要求1所述的方法，其中形成所述光学层的所述第一部分包括：形成至少一对不同材料的控制层；并且其中在所述光学层的所述第一部分的所述表面上形成所述设定尺寸的特征部包括使用选择性蚀刻的迭代来选择性地蚀刻所述至少一对控制层。
19.如权利要求1所述的方法，其还包括：
将所述VCSEL形成为用于一个或多个可单独寻址的VCSEL阵列的多个VCSEL发射器；或
将所述VCSEL形成为多个可单独寻址的VCSEL发射器。
20.一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)发射器，其通过根据权利要求1所述的方法来制造。
21.一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，其具有通过根据权利要求1所述的方法制造的多个VCSEL发射器。
22.一种能够响应于电流进行光学发射的垂直腔面发射激光器(VCSEL)装置，所述装置包括：
基板；
第一分布式布拉格反射器(DBR)，所述DBR设置在所述基板上；
光学层，所述光学层设置在所述第一DBR的至少一部分上并且具有响应于所述电流的有源区域；以及
第二DBR，所述第二DBR设置在所述光学层上，
其中所述光学层具有邻近所述第一DBR设置的第一部分并且具有设置在所述第一部分的表面与所述第二DBR之间的第二部分，并且
其中所述表面中的多个设定尺寸的特征部产生所述光学层的光学特性的变化，所述变化被配置来在所生成的光学发射中产生多个输出波长。
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