CN1509406A - 微机电可调谐垂直腔光电器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可调谐Farby－Perot垂直腔光电器件及其制造方法。该器件包括顶部和底部半导体DBR叠层及处在它们之间的可调谐空气隙腔。该空气隙腔形成于底部DBR叠层上方的一个隔片的凹口内。顶部DBR叠层由一个支撑结构支持在位于凹口中心区域上方的支撑结构区域内，而在凹口上方和DBR叠层之外的支持结构区域呈现为一个膜片，它可以通过施加在器件接触件上的调谐电压而偏转。

Description

微机电可调谐垂直腔光电器件及其制造方法
发明领域
本发明总体涉及半导体光电器件领域，涉及微机电可调谐垂直腔光电器件(如滤波器和激光器)及其制造方法。
发明背景
以微机电法布里-珀罗(Fabry-Perot)滤波器技术为基础的可调谐光学滤波器和可调谐垂直腔表面发射激光器(VCSEL)近来在本技术领域引起了广泛的兴趣。这是因为这些器件为通常因昂贵而无法用在对成本很敏感的先进的波分复用通信(WDM)本地区域网络系统中的标准可调谐滤波器、激光器和光检测器等元件提供了便宜的代用品。
工作在特定波长范围内的微机电可调谐垂直腔器件代表一个形成于两个分布式布拉格(Bragg)反射器(DBR)之间的法布里-珀罗腔体，此DBR在这个特定波长范围内具有很高的反射率值。法布里-珀罗腔体包含一个可调谐空气隙腔体，其厚度约为几个半波长。通常顶部DBR是悬在空气隙上方的一个微型机械悬臂梁(或几个微型梁)上，并可通过改变空气隙腔体内的电场使其偏转。这使法布里-珀罗腔体的谐振波长改变。DBR的反射率越高，在可调谐滤波器内传输波长的线宽就越窄。在可调谐VCSEL和谐振光检测器内分别可获得较低的阈增益和较高的选择性。
具有较低的光吸收率、良好的导热性和超过99.5％的反射率值的以半导体为基础的DBR，在本领域内广泛用于不同类型微机电可调谐垂直腔器件的制造中。
美国专利5771253*公布布了一种以微机电法布里-珀罗滤波器技术为基础的可调谐VCSEL器件，它包括一个可电偏转的悬臂梁，一个顶部和底部DBR，及一个多量子阱(MQW)区。此MQW区处于一个顶部DBR和一个顶部反射器(它由一个位于MQW顶部的部分DBR组成)之间，一个空气隙和可动的DBR处于悬臂梁上。在此部分DBR中有一氧化层，以在活性区提供横向电气和光学限制。
M.S.Wu，E.S.Vail，G.S.Li，W.Yuen和C.J.Chang-Hasnain发表在IEEE Photon.Technol.Lett.，8(1996)，No.1，pp.98-100上的文章“具有波长跟踪的宽范围和连续可调谐的微机械谐振腔体检测器”*公布了一种以微机电法布里-珀罗滤波器技术为基础的可调谐光检测器，它包括一个可电偏转的悬臂梁、顶部和底部DBR，及处于它们之间的光检测器区域。
E.C.Vail等人发表在Electronics Letters Online，Vol.31，No.3，1995，pp.228-229上的文章“镓砷微机械宽可调谐法布里-珀罗滤波器”*公开了此类可调谐光学滤波器的加工过程。首先，形成一个包含由牺牲层隔开的顶部和底部DBR的整体结构。接着通过在无掩膜区对它进行完全蚀刻直至达到牺牲层而使顶部DBR结构化。然后在无掩膜区和顶部DBR及支撑悬臂梁下面对牺牲层进行选择性蚀刻。这样就使顶部DBR悬在底部DBR之上，并在顶部和底部DBR之间产生一个空气隙，其厚度约等于牺牲层的厚度。牺牲层的剩余部分将悬臂梁固定在它的底座上。
所有以悬臂梁为基础的器件的加工过程都很复杂，而且机械上不稳定，因而成品率低。这些器件也很难优化：如果悬臂梁长于100微米，则机械稳定性大大降低。若悬臂梁较短，则柔性下降，从而要减小其厚度。这将使顶部DBR叠层中的对数减少，因而使器件参数变坏。
在美国专利5,739,945和P.Tayebati等人发表在IEEEPhotonics Technology Letters，Vol.10，No.3，1998，pp.394-396上的文章“采用镓(铝)砷-AlOx可变形镜的宽调谐Falry-Perot滤波器”*中，提出了一种不同的电可调谐光学滤波器制造方法。根据这种方法，采用经过氧化的铝镓砷层或空气隙代替由镓砷和铝镓砷层组成的普通镜叠层的低指标铝镓砷层。虽然这种方法可提供相当好的结果(即，加上50V电压可在1.5微米附近得到70纳米的调谐范围)，但加工过程很复杂，同时用这种方法获得的器件结构比标准的悬臂梁型器件在机械上更加不稳定。
发明概要
因而需要通过提供一种新型器件结构及制造方法来改善微机电可调谐垂直腔器件。
本发明的基本思想是，用一块膜片代替先前此类器件中用以支撑顶部DBR的悬臂梁腔体和梁，此膜片将空气隙腔体全部盖住并支撑处于膜片中心的顶部DBR叠层。空气隙包括在一个隔片中的已刻通的凹口内，隔片当器件连接片加上电压使膜片偏转时将电流阻断。膜片偏转产生对空气隙腔体的调谐，并因此调节器件的谐振波长。
以上结果将按照下面的方法来实现：首先，通过在隔片上蚀刻出一个贯穿它的凹口，使得隔片的表面形成一定结构。接着将一种上面带DBR的支撑结构与隔片的结构表面相结合。然后对DBR进行蚀刻直至到达支撑区，从而形成顶部DBR叠层的一个台面。此台面是以一条通过凹口中心的垂直轴线为中心，且横向尺寸小于凹口的横向尺寸。膜片处于顶部DBR叠层(台面)之外和凹口之上的一个支撑结构区。
膜片一方面很柔软(厚度约为1微米)，另一方面在横向是连续的，因而机械上很稳定，制造成品率很高。顶部DBR可以由很多层制成而不影响膜片的柔软性，故使得被传输光的线宽很窄。通过在器件光学腔内的光束路径内形成一个高折射率材料的小岛，可使光束在调谐过程中的位置得以稳定。
因此，按照本发明的一个方面，提供一法布里-珀罗可调谐垂直腔器件，它包括由可调谐空气隙腔体分开的顶部和底部半导体DBR叠层以及支持顶部DBR叠层的支撑结构，其中空气隙腔体处在一个被支撑结构完全盖住的隔片中形成的凹口内，顶部DBR叠层以通过该凹口中心的垂直轴线为中心且其横向尺寸比凹口的横向尺寸小，在凹口上面和顶部DBR叠层外面的支撑结构区呈现为一块膜片，该膜片通过施加到器件电接触件上的电压而偏转。
按照本发明的另一方面，提供一种法布里-珀罗可调谐垂直腔器件的制造方法，该器件包含顶部和底部DBR叠层，其间为一个可调谐空气隙腔体，所述方法包括以下步骤：
(i)在底部DBR叠层上形成一个隔片；
(ii)在隔片内加工出一个刻通的凹口，从而形成隔片的结构表面，该凹口为可调谐空气隙腔体提供一个位置；
(iii)将包含支撑结构的顶部DBR晶片与隔片的结构表面相连，使得支撑结构面对隔片的结构表面并完全盖住凹口，从而形成一个空气隙腔体，并选择性地蚀刻一个衬底(在它上面已生长顶部DBR各层)；
(iv)通过蚀刻顶部DBR各层直至到达支撑结构，以在所述凹口的一个中心区上方形成顶部DBR叠层，并在该顶部DBR叠层之外的凹口上方形成一个膜片，从而界定一个台面即该顶部DBR叠层，这个顶部DBR叠层的横向尺寸小于凹口的横向尺寸，且以通过凹口中心的垂直轴线为中心，在凹口之上和台面之外的支撑结构区呈现为所述膜片，它可通过施加在器件电接触件上的调谐电压而偏转。
为了限制透射或发射光的光学模式，可以在凹口底部形成一个台面，它以通过凹口中心的垂直轴线为中心，且横向尺寸和高度分别小于器件工作波长的10倍和1/30。
隔片区可位于底部DBR的顶上，在那种情况下该器件是一个可调谐光学滤波器。在可调谐VCSEL和可调谐谐振光检测器的情况下，在隔片和底部DBR之间安放一种活性腔体材料。
顶部DBR叠层可包括几个AlxGa1-xAS(x取不同值)层对，且支撑结构和底部DBR叠层也可包含顶部DBR叠层中相同的层对数。隔片可包含带交替n-型和p-型掺杂的各层。在可调谐滤波器的情况下，隔片可包含与带交替的n-型和p-型掺杂的底部DBR相同的层对数。在可调谐VCSEL和可调谐谐振光检测器的情况下，隔片可包含在相同材料系内生长的各层，此材料系与带交替的n-型和p-型掺杂的活性腔体材料叠层中的各层是一样的。
附图简介
为了解本发明并看看如何实际上实施它，下参照附图仅以几个不受限制的例子描述几种实施装置，附图中，
图1是按本发明的一个可调谐光学滤波器器件的例子；
图2表示图1的滤波器器件的加工；
图3是按本发明的一个可调谐VCSEL器件的例子；
图4和5表示图3的可调谐VCSEL器件的加工。
发明的详细说明
参看图1，总体上以10概示出按本发明一种实施例制造的可调谐垂直腔器件。器件10设计成一个法布里-珀罗垂直腔器件，它有两个半导体DBR 12a和12b及一个处在其间的空气隙腔体14，一个可调谐光学滤波器。空气隙腔体14处于开在隔片17中的刻通凹口16内，隔片位于底部DBR 12b的顶上并被支撑结构18(它支撑着顶部DBR叠层12a)完全盖住。顶部DBR 12a处在支撑结构18的一个区域18a上，使得它以通过凹口16中心的垂直轴线为中心。此顶部DBR 12a的横向尺寸比凹口16的小。在区域18a(它支持着DBR叠层12a)外面的支撑结构区18b呈现为一个膜片23，它可通过施加在器件接触件26上的调谐电压而偏转。
在本例中，底部DBR12b包含30对生长在n-型镓砷衬底上的铝镓砷/镓砷n-型层，且在1.55微米的反射率为99.5％。隔片17是一个六对铝镓砷/镓砷层的叠层，其厚度和组成与底部DBR叠层12b中的一样。与底部DBR叠层的层结构不同，隔片17中的层具有交替的n-型和p-型掺杂。横向尺寸为300×300微米2的凹口16是通过对全部6层隔片17的刻蚀而做出的，因而凹口16的深度约为1.5微米(由它确定空气隙腔体14的厚度)，且凹口16的底面20与底部DBR叠层12b的顶面重合。
顶部DBR叠层12a是一个包含25对铝镓砷/镓砷层的台面，其反射率为99.5％，横向尺寸为80×80微米2。顶部DBR叠层12a位于支撑结构18(在它的区域18a以内)上，后者由4对铝镓砷/镓砷层组成，其厚度和组成与顶部DBR叠层12a内的各层相同，且以一个铟镓磷蚀刻-阻挡层19为末端。层19的厚度为30纳米并处在顶部DBR 12a和支撑结构18间的界面上。支撑结构18在其区域18b内(在区域18a外面)的横向延伸形成膜片23，后者将凹口16全部盖住。
现在参照图2来描述滤波器器件10的加工。
在第一步骤中，通过在Cl2-CH4-Ar中的反应等离子体干法蚀刻和在HF-H2O溶液中的选择性化学蚀刻，在隔片17(它由带交替的n-型和p-型掺杂的6对铝镓砷/镓铝层叠层组成)中形成横向尺寸为300×300微米2的刻通凹口16。这个过程可以在蚀刻到达底部铝镓砷/镓铝DBR叠层12b(生长于衬底11上)时使它准确地终止，使得凹口的深度为1.5微米左右。
在第二个步骤中，在顶部DBR晶片24的支撑结构18的表面与隔片17的结构表面之间进行晶片熔合。顶部DBR晶片24包含一个生长在镓砷衬底25上的DBR 12(以后在它里面形成顶部DBR 12a)和生长在DBR 12顶面上的支撑结构18。因此，支撑结构18的表面是与隔片17的结构表面面对面地熔合，并在凹口外面隔片17的表面区内形成一个熔合界面。在温度为650℃时在熔合界面上加上2巴的压力实现熔合。然后(虽然图中未特别表示)，将镓砷衬底25在H2O2-NH3OH溶液中作选择性蚀刻直至到达DBR结构12的第一铝镓砷层(也即与隔片连接的结构12的底层)，后者用作蚀刻阻挡层并且也在HF-H2O溶液中作选择性蚀刻。
在第三个步骤中，通过在Cl2-CH4-Ar中的干法蚀刻和在HF-H2O溶液中的选择性化学蚀刻，在DBR 12内蚀刻台面直至到达蚀刻-阻挡层19，以形成顶部DBR叠层12a(见图1)，后者以通过凹口16的中心的一条垂直轴线为中心，且横向尺寸为80×80微米2。经过这次蚀刻后，支撑结构18(它的区域186)的横向延续形成膜片23，它将凹口16全部盖住。这样就形成了空气隙腔体14，它的底面被底部DBR叠层12b的顶面所限制，而顶面被支撑结构18所限制。在形成电接触件26之后，器件的加工就完成了。
在本例中，隔片结构17和支撑结构18是由镓砷/铝镓砷层对制成的。但应指出，这些结构以及DBR叠层的结构也可以用镓砷或其它类型的介质层制成。为了稳定透射光学模式，可以在凹口16的底部形成一个台面，它以通过凹口中心的垂直轴线为中心，且其横向尺寸和高度分别小于器件工作波长的10倍和1/30。
参看图3，示出了按本发明另一个实施例的可调谐垂直腔器件100，它呈现为一种VCSEL器件结构。此器件设计在1.55微米附近发射光。为便于理解，在器件10和100中相同的元件采用同样的标号。与前面例子中的器件10类似，器件100设计成象一个可调谐法布里-珀罗腔体，它分别具有顶部和底部DBR12a和12b，最大反射率处在1.55微米处。与前述器件10不同，在器件100中隔片17是处在活性腔体材料27的顶部，这种活性材料是与铝镓砷/镓砷底部DBR 12b的表面相熔合的。
活性腔体材料包含一个多量子阱铟镓砷磷/铟镓砷层叠层28，后者在1.55微米处具有最大的荧光发射，而且被夹在两个铟磷包层29和34之间。活性腔体材料的光学厚度等于3/2×1.55微米。隔片17的总厚度为1.5微米，它包含一个带交替p-n-p-n掺杂的铟磷层30，铟磷层30夹在2个蚀刻-阻挡层31和32之间。一个由铟镓砷磷制成并在1.4微米具有最大荧光发射(PLmax)的台面33处于凹口16的顶部，并以通过凹口16中心的垂直轴线为中心。
器件100可通过顶部DBR 12a等用980纳米的泵激光被光学泵激，从而在1.55微米处发射并穿过底部DBR 12b和镓砷衬底11。在接触件26之间加上电压可使膜片23偏向凹口16的底部，这样就缩短了空气隙腔体14，并从而也使VCSEL器件的发射波长缩短。台面33引起光学腔体中的横向折射率变化，以使光学模式稳定下来。台面33的高度和横向尺寸应分别小于器件工作波长的1/30和10倍。
现在参照图4和5来描述可调谐VCSEL器件100的加工。
首先，在铟磷衬底35上生长出多层叠层结构40。此结构包括隔片17和活性腔体材料27。隔片17的总厚度为1.5微米，且包含一个带交替的p-n-p-n掺杂的铟磷层30，铟磷层30夹在两个蚀刻阻挡铟镓砷磷层(两层的PLmax＝1.4微米，且厚度为50纳米)之间。活性腔体材料27的总厚度为725纳米，并包含6个夹在两个铟磷包层之间的量子阱。
然后，将多层叠层40与底部DBR叠层12b熔合，方法是把它们面对面地放入一种混合气体环境内，将温度升至650℃，并给熔合界面加上2巴左右的压力。这个过程之后是在HCl-H2O溶液内对铟磷衬底35进行选择性蚀刻，直至到达铟镓砷磷蚀刻-阻挡层32以形成凹口16。更具体地说，选择性蚀刻包括：首先在H2SO4-H2O2-H2O溶液内蚀刻铟镓砷磷蚀刻-阻挡层32，然后在HCl-H2O溶液内蚀刻铟磷层30。这之后通过在H2SO4-H2O2-H2O溶液中的蚀刻形成台面33。
在下一个步骤中，隔片17的结构表面将与支撑结构18的基本为平的表面相熔合。熔合时的温度为650℃并在熔合界面上加2巴的压力。接下来对顶部DBR晶片24的镓砷衬底25进行选择性蚀刻，并像上述加工器件10那样蚀刻DBR 12以形成台面33。在形成电接触件26后器件的加工就完成了。
本领域技术人员容易理解：可以对上面所举的优选实施例作各种修正和改变，而不会超出本发明的范围，本发明的范围将由下面的权利要求书界定。请注意上面以星号*标示的出版物已被引用于此作为参考。

Claims (14)

1.一种可调谐法布里-珀罗垂直腔器件，包括由可调谐空气隙腔体分隔的顶部和底部半导体分布式布拉格反射器(DBR)叠层，以及支持顶部DBR叠层的支撑结构，其中空气隙腔体处于完全被支撑结构盖住的在隔片内形成的一凹口中，顶部DBR叠层以通过所述凹口中心的垂直轴线为中心且其横向尺寸小于凹口的横向尺寸，在顶部DBR叠层之外和凹口上方的一支撑结构区域，它呈现为一膜片，可以通过施加在器件电接触件上的调谐电压而偏转。
2.如权利要求1所述的器件，其中一台面处于所述凹口的底部上，且以通过凹口中心的中央垂直轴线为中心，所述台面的横向尺寸和高度分别小于器件工作波长的10倍和1/30。
3.如权利要求1所述的器件，其中所述隔片位于底部DBR叠层上。
4.如权利要求3所述的器件，可用作一可调谐光学滤波器。
5.如权利要求1所述的器件，还包括一处于底部DBR叠层和隔片之间的活性腔体材料，所述器件可用作可调谐垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
6.如权利要求5所述的器件，其中所述活性腔体材料包括一种处于所述隔片和底部DBR叠层之间的半导体多量子阱(MQW)发光材料。
7.如权利要求1所述的器件，其中所述膜片的厚度约为1微米。
8.一种制造法布里-珀罗可调谐垂直腔器件的方法，该器件包括顶部和底部DBR叠层，所述叠层之间具有可调谐空气隙腔体，所述方法包括以下步骤：
(i)在底部DBR叠层上形成一隔片；
(ii)在隔片内加工一刻通的凹口，从而形成隔片的结构表面，所述凹口为所述可调谐空气隙腔体提供位置；
(iii)将包括支撑结构的顶部DBR晶片与隔片的结构表面以这样一种方式结合，使得所述支撑结构面对隔片的所述结构表面并完全盖住所述凹口，从而形成一空气隙腔体，同时选择性地蚀刻一衬底，在该衬底的各层上生长有顶部DBR；
(iv)通过蚀刻顶部DBR各层直至到达支撑结构，以在所述凹口中心区的上面形成顶部DBR叠层，并在该顶部DBR叠层之外的凹口上面形成一膜片，这样就界定了一台面，该台面呈现为所述顶部DBR叠层，其横向尺寸小于所述凹口的横向尺寸，且以通过凹口中心的垂直轴线为中心，所述凹口上方和所述台面的外面的支撑结构区域呈现为所述膜片，它通过在器件电接触件上施加调谐电压而偏转。
9.如权利要求8所述的方法，其中顶部DBR叠层包括一些具有不同x值的AlxGa1-xAs层的对。
10.如权利要求8所述的方法，其中支撑结构包括一些具有不同x值的AlxGa1-xAs层的对。
11.如权利要求10所述的方法，其中支撑结构包括与顶部DBR叠层同样的AlxGa1-xAs层的对。
12.如权利要求8所述的方法，其中每一个顶部和底部DBR叠层包括一些具有不同x值的AlxGa1-xAs层的对。
13.如权利要求8所述的方法，还包括在底部DBR叠层和隔片之间形成一种活性腔体材料。
14.如权利要求13所述的方法，其中形成活性腔体材料包括在两个包层之间生长多量子阱层的叠层的步骤。
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