CN117913655A - 形成激光器结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开描述了一种形成激光器结构的方法。该方法包括在衬底上生长底部分布式布拉格反射器(DBR)和空腔的第一部分，以形成包括多个层的底部结构。在底部结构的上层上蚀刻一个或多个各向异性特征，以产生图案化生长界面。在图案化生长界面上过度生长空腔的剩余部分和顶部DBR，以形成外延结构。一个或多个氧化孔径形成在外延结构中。
Description
技术领域
一种形成激光器结构的方法。
背景技术
通过将传统垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的局限和缺点与参考附图在本公开的剩余部分中阐述的本方法和系统的一些方面进行比较，该局限和缺点对本领域技术人员而言将变得显而易见。
发明内容
基本上如附图中的至少一个所示和/或结合附图中的至少一个所述，如权利要求书中更完整地阐述的，提供了用于产生具有可操作以控制偏振的双折射空腔的垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)的系统和方法。
附图说明
图1示出了根据本公开的各种示例实现的具有双折射空腔的示例VCSEL外延结构。
图2A和图2B示出了根据本公开的各种示例实现的空腔的示例。
图3A示出了根据本公开的各种示例实现的有效折射率随光栅填充因子的示例演变。
图3B示出了根据本公开的各种示例实现的双折射强度随光栅填充因子的示例演变。
图4A示出了根据本公开的各种示例实现的与平行偏振方向相关联的发射波长的示例和与垂直偏振方向相关联的发射波长的示例。
图4B示出了根据本公开的各种示例实现的与图4A的发射波长相关联的增益的示例。
图5A示出了根据本公开的各种示例实现的具有图案化空腔的氧化孔径VCSEL的示例，其中氧化孔径在图案化生长界面上方。
图5B示出了根据本公开的各种示例实现的具有图案化空腔的氧化孔径VCSEL的示例，其中氧化孔径在图案化生长界面下方。
图6A示出了根据本公开的各种示例实现将具有两个分离的蚀刻和过度生长步骤的图案化空腔与隧穿结光刻孔径相结合的示例。
图6B示出了根据本公开的各种示例实现将具有两个连续的蚀刻步骤和一个过度生长步骤的图案化空腔与隧穿结光刻孔径相结合的示例。
图7A示出了根据本公开的各种示例实现将具有两个分离的蚀刻和过度生长步骤的图案化空腔与阻挡光刻孔径相结合的示例。
图7B示出了根据本公开的各种示例实现将具有两个连续的蚀刻步骤和一个过度生长步骤的图案化空腔与阻挡光刻孔径相结合的示例。
图8示出了根据本公开的各种示例实现的通过注入限定的示例孔径。
图9示出了根据本公开的各种示例实现的功率与电流和偏振特性的示例。
图10示出了根据本公开的各种示例实现的线性偏振度(DOLP)随光栅填充因子和光栅折射率对比度的示例演变。
图11示出了根据本公开的各种示例实现光功率和偏振特性与工作电流的示例。
具体实施方式
垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)是一种半导体激光二极管，其中激光束从顶表面垂直发射，而传统的边缘发射半导体激光器则从通过从晶圆切割单个芯片而形成的表面发射。VCSEL用于各种激光产品，包括计算机鼠标、光纤通信、激光打印机、面容ID和智能眼镜。
偏振方向可以在相关联的阈值电流低于其他偏振方向时在激光器中改进。一旦达到期望的偏振方向的阈值增益，增益箝制(gain clamping)就会防止达到不希望的偏振方向的阈值增益并锁定偏振。阈值增益水平由光学增益系数和光学损耗控制。激光偏振控制是通过诱导作为第一机制和第二机制的偏振相关增益系数(polarization dependentgain coefficient)以及作为第三机制的光学损耗而实现的。由于表面发射和发射器的圆形几何形状，这种偏振相关增益和光学损耗默认在VCSEL中不存在。因此，如本公开中所描述的，可以诱导偏振相关增益和光学损耗来控制VCSEL的偏振。
本公开描述了通过图案化空腔中的各向异性特征并执行过度生长来控制VCSEL中的偏振。图案化诱导空腔结构中的双折射特性。双折射是指折射率取决于光的偏振和传播方向的材料的光学性质。各向异性材料以具有在不同方向上测量时具有不同值的物理性质为特性。双折射材料具有光学各向异性。
图1示出了根据本公开的各种示例实现的具有双折射空腔的示例VCSEL外延结构。
如图1所示，外延结构形成如下。在第一生长中，底部分布式布拉格反射器(DBR)101和包含有源区量子阱(QW)103的空腔105的第一部分在衬底上生长。然后，经由光刻来限定各向异性特征，并使用干式或湿式蚀刻在底部结构的上层上进行浅蚀刻。底部和顶部之间的界面位于空腔105中。底部结构包括底部DBR 101、有源区QW 103和上层的底部结构105a。顶部结构包括下层的顶部结构105b和顶部DBR 107。
在顶部发射配置中，顶部DBR 107具有比底部DBR 101更低的反射率。在底部发射配置中，与顶部DBR 107相比，底部DBR 101具有更低的反射率。在底部发射配置中，激光束穿过衬底。
各向异性特征的示例包括线性光栅。光栅也可以是二维(2D)的，并包含各向异性特征：例如，在正交方向上具有不同周期的蛋形/椭圆、矩形、菱形或圆形/正方形。线性光栅可以是周期性的、准周期性的或随机的线性光栅。
使空腔105的剩余部分和顶部DBR 107过度生长并完成VCSEL的空腔105(例如，法布里珀罗空腔(Fabry-Perot cavity))。所得到的外延结构然后可以进行标准晶圆处理，以形成氧化孔径VCSEL发射器。请注意，此方法可以同时考虑正面和背面发射。以下还参考图5A、图5B和图6A和图6B描述了不同的配置。
图2A和图2B示出了根据本公开的各种示例实现的空腔的示例。
在第一示例配置(图2A)中，过度生长层与底部结构的蚀刻层n0相比具有不同的材料折射率n1。平面反射器将导致空腔的光学厚度随蚀刻特征的轮廓(profile)而变化。
在第二示例配置(图2B)中，过度生长层与底部结构的蚀刻层具有相同的折射率。如果过度生长界面靠近其中一个反射器，则蚀刻特征会转移到反射器轮廓上。两种配置都导致空腔的光学厚度随蚀刻的轮廓而变化。由于空腔的光学厚度变化，局部折射率可能会偏移Δn。因此，折射率轮廓曲线遵循蚀刻特征。
折射率的各向异性轮廓曲线表现出等效有效折射率，该等效有效折射率是各向异性的，即双折射的。平行于光栅的折射率n∥(慢轴)大于垂直于光栅的折射率n⊥(快轴)。慢轴折射率和快轴折射率之间的差(n∥-n⊥)为Δn。比值(n∥-n⊥)/n0限定了双折射强度。双折射强度取决于光栅几何结构和光栅折射率对比度Δn/n0。
图3A示出了根据本公开的各种示例实现的有效折射率随光栅填充因子的示例演变。
图3B示出了根据本公开的各种示例实现的双折射强度随光栅填充因子的示例演变。
填充因子(FF)由光栅脊宽度和光栅周期的比值限定。对于3％的光栅折射率对比度(Δn/n0)，填充因子约为0.5时，双折射最大。双折射强度估计为0.02％左右，考虑到增益箝制机制，该值足够高。
在具有双折射介质的空腔中，平行于慢轴和垂直于慢轴的偏振以不同的折射率传播。图4A示出了根据本公开的各种示例实现的与平行偏振方向相关联的发射波长的示例和与垂直偏振方向相关联的发射波长的示例。考虑到两个方向的空腔厚度相同，这两个方向与两个不同的发射波长λ∥(慢轴)和λ⊥(快轴)相关联，如图4A所示。光学厚度是折射率与物理厚度的乘积。光学厚度设置发射波长。
图4B示出了根据本公开的各种示例实现的与发射波长相关联的增益的示例。量子阱(QW)通常提供随波长变化的增益。如图4B所示，将偏振相关发射波长和波长相关增益相结合会产生偏振相关增益。与最高增益系数相关联的偏振方向得以改进。利用该第一机制改进的偏振方向取决于增益随波长的变化。对于大于增益最大值处的波长的波长，增益随波长而减小。因此，沿快轴(即，垂直于光栅方向)的偏振得以改进。因此，在第一机制中，以偏振相关增益来选择偏振方向。
在第二种机制中，具有双折射特性的空腔可以表现出取决于偏振方向的限制因子。与沿慢轴的偏振相比，沿快轴的偏振往往不那么受限制。在VCSEL中，由于电流拥挤和空间洞燃烧，跨孔径的横向增益轮廓曲线不是恒定的。因此，稍微不那么受限制的垂直于光栅的偏振接收到更多的增益并得到改进。
在第三种机制中，线性光栅将光从垂直方向耦合到横向方向。耦合效率是偏振相关的，并且平行于光栅脊方向的偏振更有可能被耦合。这导致平行偏振的额外空腔损耗。垂直偏振因而得以改进。该机制具有不取决于增益曲线的优点。因此，第三种机制使用偏振相关的光学损耗。
利用空腔的各向异性图案化的偏振控制可以与不同的制造方法相结合，以限定VCSEL的电学和光学孔径。VCSEL孔径可以经由氧化、注入或光刻来限定。光刻孔径VCSEL可以实现隧穿结或阻挡层的后续蚀刻和过度生长。
图5A和图5B展示了具有氧化孔径的图案化空腔的两种配置。对于这两种配置，制造开始于形成如上所示的具有图案化空腔的外延结构。外延结构包含高铝浓度层。在该结构的氧化过程中，与结构的其余部分相比，该层以更大的速率被氧化。该层的未氧化部分形成限制工作电流和激光束流程的孔径。
图5A示出了根据本公开的各种示例实现的具有图案化腔的氧化孔径VCSEL的示例，其中氧化孔径在图案化生长界面上方。在图5A中，形成孔径的氧化层位于图案化生长界面上方。
图5B示出了根据本公开的各种示例实现的具有图案化腔的氧化孔径VCSEL的示例，其中氧化孔径在图案化生长界面下方。在图5B中，氧化层位于图案化生长界面下方，并且是底部外延结构的一部分。
图6A和图6B展示了如何将图案化的VCSEL空腔与隧穿结光刻孔径相结合。后续蚀刻和过度生长步骤使得能够在特定区域上插入掩埋的隧穿结。具有隧穿结的光刻限定区域与没有隧穿结的区域相比导电性明显更强，这使得横向电约束并限定VCSEL孔径。两种工艺流程都可以诱导空腔的各向异性图案。
图6A示出了根据本公开的各种示例实现将具有两个分离的蚀刻和过度生长步骤的图案化腔与隧穿结光刻孔径相结合的示例。在图6A所示的工艺流程中，孔径限定和光栅图案化是在分离的蚀刻和生长步骤中完成的。它开始于包括底部DBR和有源区的底部外延结构的生长，并终止于隧穿结层。在第一蚀刻步骤之后，隧穿结的剩余部分限定孔径。过度生长间隔层。用于偏振控制的光栅在间隔层中被图案化。最后，过度生长包括顶部DBR的顶部外延结构。
图6B示出了根据本公开的各种示例实现将具有两个连续的蚀刻步骤和一个过度生长步骤的图案化腔与隧穿结光刻孔径相结合的示例。在图6B所示的第二工艺流程中，在两个连续的蚀刻步骤和一个过度生长中限定孔径和光栅。它可以将过度生长的数量从两个减少到一个。在这种情况下，底部外延结构终止于隧穿结层和间隔层。第一蚀刻限定向下至隧穿结底部的孔径。然后，较浅的蚀刻限定用于偏振控制的光栅。最后，过度生长顶部外延结构。
图7A和图7B展示了如何诱导具有阻挡层光刻孔径的图案化的VCSEL空腔。后续蚀刻和过度生长步骤使得能够在外延结构内的特定区域上插入阻挡层。具有阻挡层的光刻限定区域与没有阻挡层的区域相比电阻明显更高，这允许横向电约束并限定VCSEL孔径。两种工艺流程都可以诱导空腔的各向异性图案。
图7A示出了根据本公开的各种示例实现将具有两个分离的蚀刻和过度生长步骤的图案化腔与阻挡层光刻孔径相结合的示例。在图7A所示的工艺流程中，孔径限定和光栅图案化是在分离的蚀刻和生长步骤中完成的。它开始于包括底部DBR和有源区的底部外延结构的生长，并终止于阻挡层。阻挡层的第一蚀刻步骤限定孔径。过度生长间隔层。用于偏振控制的光栅在间隔层中被图案化。最后，过度生长包括顶部DBR的顶部外延结构。
图7B示出了根据本公开的各种示例实现将具有两个连续的蚀刻步骤和一个过度生长步骤的图案化腔与阻挡层光刻孔径相结合的示例。在图7B所示的第二工艺流程中，在两个连续的蚀刻步骤和一个过度生长中限定孔径和光栅。它可以将过度生长的数量从两个减少到一个。在这种情况下，底部外延结构终止于阻挡层层和间隔层。第一蚀刻限定向下至阻挡层底部的孔径。然后，较浅的蚀刻限定光栅。最后，过度生长顶部外延结构。
图8展示了将图案化空腔与离子注入限定的孔径相结合的示例。制造开始于形成如上所示的具有图案化空腔的外延结构。在接下来的步骤中，离子注入使外延结构的区域电绝缘。非注入区限制工作电流的流动并限定VCSEL孔径。
图9示出了根据本公开的各种示例实现的功率电流比和偏振特性的示例。图9中的3个曲线图表示光功率、DOLP和方位角。
图9显示了在空腔中对线性光栅的诱导与光学和电流以及偏振特性的影响。在没有光栅时，线性偏振度(DOLP)在阈值95％(偏振消光比(PER)13dB)的情况下达到高值。这是由于单模操作。随着工作电流的增加和更高阶模式的出现，DOPL明显降低，指示偏振控制较差。在空腔中存在线性光栅时，DOLP保持在>99％(PER>20dB)的阈值，直到设备开始滚动。方位角测量显示，线性偏振的方向保持垂直于光栅方向。这证明得益于空腔中的线性光栅，实现有效的线性偏振稳定性。
图10示出了根据本公开的各种示例实现的DOLP随光栅填充因子和光栅折射率对比度的示例演变。光栅折射率对比度通过非蚀刻(FF＝1)和完全蚀刻(FF＝0)空腔发射器的发射波长差并使用以下关系式估算得出：
Δn/n0＝Δλ/λ0
因此，更深的蚀刻深度导致更大的光栅折射率对比度，并因此导致更强的双折射强度。光栅折射率对比度为2％，光栅填充因子在0.2至0.3范围内，证明了对偏振的有效控制。当光栅折射率对比度为3％时，稳定偏振的填充因子范围从0.1变宽到0.5。随着光栅折射率对比度的增大，光栅填充因子的制造公差也有所放宽。
图11示出了根据本公开的各种示例实现光功率和偏振特性与工作电流的示例。图11中的3个曲线图表示光功率、DOLP和方位角。图11示出了具有光栅的VCSEL设备在背面温度为25℃至75℃的情况下，光功率和偏振特性随工作电流的演进。在所研究的整个工作范围内，偏振在强度(DOLP>99％，PER>20dB)和方向(垂直于光栅)方面保持稳定。这证明利用空腔图案化进行偏振控制的稳健性。图11中参考的示例设备是一个具有1μm周期和0.2填充因子的空腔光栅的直径为6μm的VCSEL。
虽然已经参考某些实现描述了本方法和/或系统，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本方法和/或系统的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以替换等同物。此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行许多修改，以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本方法和/或系统旨在不限于所公开的特定实现，而是本方法和/或系统将包括落入所附权利要求范围内的所有实现。
Claims (29)
1.一种形成激光器结构的方法，所述方法包括：
在衬底上生长空腔的第一部分和底部分布式布拉格反射器DBR，以形成包括多个层的底部结构；
在所述底部结构的上层上蚀刻一个或多个特征，以产生图案化生长界面；
在图案化生长界面上过度生长所述空腔的剩余部分和顶部DBR，以形成外延结构；并且
在所述外延结构中形成一个或多个孔径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述空腔的所述第一部分包括多个有源区量子阱。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述蚀刻是干法蚀刻和湿法蚀刻中的一种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个特征是经由光刻限定的亚波长特征。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个特征是线性光栅。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述过度生长产生具有与所述底部结构的所蚀刻的层不同材料折射率的层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个特征被转移到所述顶部DBR的轮廓。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括根据对所述一个或多个特征的选择来控制双折射强度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述一个或多个特征包括以光栅脊宽度和光栅周期为特性的光栅，并且
所述方法包括根据所述光栅脊宽度和所述光栅周期的比值来控制双折射强度。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述一个或多个孔径包括在所述图案化生长界面上方生长氧化层，作为所述外延结构的顶部生长的一部分。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，形成所述一个或多个孔径包括在所述图案化生长界面下方生长氧化层，作为所述外延结构的底部结构的一部分。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括诱导具有隧穿结光刻孔径的图案化垂直空腔表面发射激光器VCSEL空腔。
13.一种形成激光器结构的方法，所述方法包括：
在衬底上生长空腔的第一部分和底部分布式布拉格反射器DBR，以形成包括多个层的底部结构；
在所述底部结构上生成光刻孔径；
在所述光刻孔径上过度生长间隔层；
在所述间隔层中蚀刻一个或多个特征，以形成图案化生长界面；并且
在所述图案化生长界面上过度生长顶部DBR，以形成外延结构。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述光刻孔径是隧穿结。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法包括根据对所述一个或多个特征的选择来控制双折射强度。
16.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述一个或多个特征包括以光栅脊宽度和光栅周期为特性的光栅，并且
所述方法包括根据所述光栅脊宽度和所述光栅周期的比值来控制双折射强度。
17.一种形成激光器结构的方法，所述方法包括：
在衬底上生长空腔的第一部分和底部分布式布拉格反射器DBR，以形成包括多个层的底部结构；
在所述底部结构上生成光刻孔径；
在所述光刻孔径上生长间隔层；
通过蚀穿所述间隔层来限定所述光刻孔径；
在所述间隔层中蚀刻一个或多个特征，以形成图案化生长界面；并且
在所述图案化生长界面上过度生长顶部DBR以形成外延结构。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述方法包括根据对所述一个或多个特征的选择来控制双折射强度。
19.根据权利要求17所述的方法，其中：
所述一个或多个特征包括以光栅脊宽度和光栅周期为特性的光栅，并且
所述方法包括根据所述光栅脊宽度和所述光栅周期的比值来控制双折射强度。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光刻孔径是隧穿结。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，与所述顶部DBR相比，底部DBR具有更低的反射率，从而实现底部发射配置。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，与所述顶部DBR相比，底部DBR具有更低的反射率，从而实现底部发射配置。
23.根据权利要求17所述的方法，其中，与所述顶部DBR相比，底部DBR具有更低的反射率，从而实现底部发射配置。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个特征是各向异性特征。
25.根据权利要求13所述的方法，其中，所述一个或多个特征是各向异性特征。
26.根据权利要求17所述的方法，其中，所述一个或多个特征是各向异性特征。
27.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个孔径包括注入。
28.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个孔径包括阻挡层光刻孔径。
29.根据权利要求1所述的方法，其中，所述空腔的所述剩余部分包括多个有源区量子阱。
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