CN1722552A - 具有空气间隙和保护涂层的垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种VCSEL，其在反射镜堆叠中包含一空隙并包含一密封该空隙一端的保护层。该空隙界定了VCSEL光圈的边界而不会引入氧化物VCSEL内氧化物区域所能导致的应力；可呈一薄电介质层的保护层保护着反射镜堆叠免受环境损伤。由此，VCSEL可实现高可靠性。VCSEL的制作方法是：形成一个氧化孔洞；氧化暴露在孔洞中的VCSEL反射镜堆叠中的富铝层的一部分；及随后清除全部或者部分剩余氧化物，形成所需的空隙。然后，可沉积保护层来密封该空隙的一端。

Description

具有空气间隙和保护涂层的垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)，尤其系涉及一种具有空气间隙和保护涂层的垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSELs)是众所周知可使用半导体加工技术制作的光电子装置。例如，图1是展示一常规氧化物VCSEL 100的横截面视图，其包含一夹在部分反射镜堆叠110与强反射镜堆叠130之间的腔层120。腔层120通常包含发射激光的材料(如砷化镓)，该材料在电流流过腔层120的地方发光。反射镜堆叠110和120通常具有选择用来使VCSEL100内的工作激光波长达到期望增益的反射率和分离，而且较佳具有导电性并接触VCSEL100中的电气端子(图中未显示)。
反射镜堆叠110内的绝缘氧化物区112形成光圈的边界，来自VCSEL100的光束通过该光圈发射出来。为了限制激光束，氧化物区112将进入腔层120的电流引导至期望激光发射的区域。氧化物区112还可以改变光圈140区域以外的反射镜堆叠110的反射率或折射率，以便将最佳增益限定在光圈140区域内。
在作为商品出售之前，VCSELs(例如氧化物VCSEL100)通常必须通过可靠性试验，以尝试识别出使用寿命短或在某些工作环境下可能失效的装置。工业中广泛使用一种通常称为85/85应力试验或湿高温工作寿命试验(WHTOL)的试验来评定VCSELs和其他光电子装置的可靠性。通常，氧化物VCSELs在85/85应力试验中迅速失效。
因此，能使VCSELs通过必要的可靠性试验且由此提高VCSELs产量的结构和加工技术备受青睐。
发明内容
根据本发明的一个方面，VCSEL在反射镜堆叠中使用一空腔或空隙来界定一光圈并使用一薄保护层来覆盖该空隙。有了该保护层，VCSEL便能通过85/85应力试验并提供高可靠性。此外，该薄保护层的制作方法避免了与形成厚保护层相关的问题。
本发明的一个具体实施例是一种诸如VCSEL的装置，该装置包括一第一反射镜堆叠、一第二反射镜堆叠、一腔层和一保护层。该腔层位于第一反射镜堆叠与第二反射镜堆叠之间。一孔洞延伸穿过该第一反射镜堆叠，且一空隙从该孔洞的侧壁延伸至该第一反射镜叠内，以界定该装置的光圈边界。保护层第一反射镜堆叠内的孔洞侧壁处密封该孔隙的一端。
本发明的另一个具体实施例是一种诸如VCSEL等装置的制作方法。该方法通常包含：在一衬底上形成一第一反射镜堆叠、一腔层及一第二反射镜堆叠；在该第一反射镜堆叠内刻蚀一孔洞；去除该第一反射镜堆叠内一层的一部分，形成一个从该孔洞侧壁延伸至该第一反射镜堆叠内的空隙；及沉积一在孔洞侧壁处密封该空隙一端的保护层。空隙的形成包括：氧化第一反射镜堆叠内的层以形成一氧化物区，然后至少刻蚀掉该氧化物区的一部分。
附图说明
图1显示一常规氧化物VCSEL。
图2显示根据本发明一实施例包含一薄层的VCSEL，该薄层密封了用以界定VCSEL一光圈的空隙。
图3A，3B，3C，3D和3E举例说明图2所示VCSEL的制作方法。
图4显示本发明一实施例的VCSEL的顶视图。
不同图中相同参考符号的使用表示相似或相同的物件。
具体实施方式
依据本发明的一个方面，具有一界定光圈边界的空隙并具有一薄保护层来保护该空隙的VCSEL可实现高可靠性。制作此类VCSEL的技术可使装置能够通过工业标准可靠性试验(例如85/85应力试验)，从而实现了装置的高生产量。
图2显示根据本发明一实施例的VCSEL200的横截面视图。VCSEL200包含形成在底部衬底240上的一顶部反射镜堆叠210、一腔层220和一底部反射镜堆叠230。一保护层250至少覆盖住腔层220和反射镜堆叠层210、230的选定部分，且尤其密封住界定VCSEL200光圈边界的空隙212。
在图示实施例中，腔层220包含一个或多个夹在间隔层222与226之间的活性层224(例如，一个或多个量子阱和/或一个或多个量子点)。或者说，活性层224可位于一单个间隔层之上或之下。活性层224可由多种材料制成，包括但不仅限于：砷化镓(GaAs)、铟镓砷(InGaAs)、铝铟镓砷(AlInGaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、铟镓砷磷(InGaAsP)、镓砷磷(GaAsP)、磷化镓(GaP)、锑化镓(GaSb)、镓砷锑(GaAsSb)、氮化镓(GaN)、镓砷氮(GaAsN)、铟镓砷氮(InGaAsN)和铝铟镓砷磷(AlInGaAsP)。也可使用其他量子阱层组成。间隔层222和226通常由根据活性层224组成选择的材料制成。
腔层220具有一根据VCSEL200所发射的光工作波长选择的总体厚度。要使VCSEL200产生光束，一个驱动电路驱动电流(图中未显示)流过活性层224。为连接至驱动电路，VCSEL200在反射镜堆叠252上方具有第一电气触点252，在活性层220下方具有一第二电气触点242。但是，VCSEL200也可使用其他构造的触点。例如，第二电气触点可以位于VCSEL200顶部或位于底部反射镜堆叠230内。不论使用何种构造的触点，在电气触点242与252之间施加的操作电压较佳在VCSEL200内产生一穿过反射镜堆叠210和腔层220的电流，使活性层224中发射激光。
空隙212形成在反射镜堆叠210的富铝层214中，以形成一个从侧面限制VCSEL200中载流子和光子流动的限制区域。层214可以位于反射镜堆叠210中的任意位置，包括其顶部或底部。在某些实施例中，空隙212限定了一个较佳供电流和激光流过的中央光圈。载流子限制起因于空隙212的相对高电阻率，从而致使电流流经VCSEL200一位于中央的区域。光学限制起因于空隙212的低折射率，从而产生能引导腔层220内所产生光子的侧向折射率分布。载流子和光学侧向限制增大了层224活性区域内的载流子和光子浓度，并且提高了活性区域内的光产生效率。
反射镜堆叠210和230各包括一由具有不同折射率的交替层组成的系统，该系统较佳形成一个设计用于工作激光波长(例如，650nm～1650nm范围内的波长)的分布式布拉格反射器。例如，反射镜堆叠210和230可包括铝镓砷层，其中该些层中的铝含量在高、低水平之间交替变化。在常规堆叠中，反射镜堆叠210和230的每一层通常都有一有效的光学厚度(即，层厚度与层折射率的乘积)，其大约为工作激光波长的四分之一。反射镜堆叠210中的一特殊层214包含富铝材料，其铝含量足够高，使得层214的氧化速度比反射镜堆叠210中的其他层快得多。在一典型实施方案中，层214的铝含量可约为95％～98％，而其他层的铝含量一般在约20％～80％之间不等。
在图2说明性实施例中，反射镜堆叠210和230设计成VCSEL200通过反射镜堆叠210发射激光。在本发明的其他实施例中，反射镜堆叠210和230也可设计成VCSEL200通过反射镜堆叠230或者衬底240发射激光。
给VCSEL200提供结构性支持的衬底240可以由多种材料制成，包括但不仅限于砷化镓、磷化铟、蓝宝石(氧化铝)、或铟镓砷，并且可以是未掺杂、n型掺杂(例如，掺硅)或者p型掺杂(例如掺锌)。为了提高与衬底240之间的结合力，可在VCSEL200的其他层之前先在衬底240层上生长一由大约100埃厚的材料(例如，砷化镓或铝镓砷)形成的缓冲层(图中未显示)。在VCSEL200的图示实施例中，衬底240较佳具有导电性，其中电气触点242位于衬底240的底面上。或者，衬底240可由绝缘材料制成，且一连接至腔层220或底部反射镜堆叠230的电气触点可覆盖在衬底240上。
图3A至图3B显示的是在VCSEL200制作过程中形成的中间结构的剖面图。为方便说明，图3A至图3E略去了底部支撑衬底和触点结构。VCSELs的触点结构在此项技术中已众所周知，并且可以使用常规技术制成。
图3A显示的是形成底部反射镜堆叠230、腔层220和顶部反射镜堆叠210后的结构剖面图。常规外延生长方法，例如有机金属化合物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)可以在支撑衬底(图中未示出)上形成VCSEL200的该些层。在层210、220和230上覆盖形成一带有一个开口(或多个开口)的掩膜260。掩膜260可由光致抗蚀剂或其他材料制成，例如氮化硅(Si3N4)或金属。
如图3B所示，一使用掩膜260的刻蚀方法可形成开口270。开口270通常被称为氧化孔洞，其延伸穿过VCSEL200的顶部反射镜堆叠210和腔层220到达底部反射镜堆叠230内的一区域，并由此暴露出顶部反射镜堆叠210中富铝层214的边缘。更一般的说，只要氧化孔洞270能暴露出富铝层214，氧化孔洞270不需要延伸到底部反射镜堆叠230中，反而可终止在腔层220或顶部反射镜堆叠210中。湿或者干刻蚀方法包括反应离子刻蚀(RIE)和反应离子束刻蚀(RIBE)，其可按所要求的深度形成开口270。在一个实施例中，开口270形成一个台面形结构供VCSEL200坐落于其中。
如图3C所示，一使用水蒸汽或者干燥氧气环境的氧化方法可氧化富铝层214的暴露边缘，形成氧化物区域216。如上所述，富铝层214的铝成分以高为佳，以使层214快速氧化而反射镜堆叠210中的其他层的氧化速度较慢。例如，层214可以是铝含量约为95％的铝镓砷，而其他层是铝含量不超过90％的铝镓砷。富铝层214内的高氧化速度和氧化过程的持续时间控制氧化物区域216的侧向延伸，并同时控制着层214中界定VCSEL200光圈的剩余区域。在本发明的一例示性实施例中，氧化物区域216在层214内延伸大约25微米，从而留下一个直径约10-20微米的光圈。可在氧化处理前或后清除掩膜260。
图3D显示的是刻蚀过程清除了氧化物区域216并在层214内留下空隙212后的结构图。可使用碱性溶液(例如氢氧化钠(NaOH))通过湿刻蚀来清除氧化物区域216，尤其可使用pH值大于13的碱性溶液清除氧化物区域。作为完全清除氧化物区域216的一替代方案，部分清除氧化物区域216可留下部分氧化物区域216。据信，完全清除或部分清除氧化物区域216可通过减小氧化物层216形成时产生的应力来改善装置的可靠性。
图3E所示的薄保护层250沉积在该结构上或选择性地沉积在包括氧化孔洞270在内的若干区域内。薄层250可以是一氮化硅层，其厚度小于约6000埃，较佳小于约2500埃，更佳约为1100埃。然而，其他材料如硅氧氮(SiON)等也可用于保护层250。或者，保护层250可以是一复合层，例如包括一厚度约为1100-1500埃的氮化硅层、一厚度约为1100-1500埃的硅氧氮层和一厚度约为700-1000埃的钛层。沉积方法可覆盖氧化孔洞270的结构/侧壁并密封空隙212的暴露端，因此留下一个密封空隙(例如，一个被密封的空气间隙)。向下进入孔洞270的良好覆盖对于高可靠性来说非常重要，该良好覆盖可以通过例如等离子增强型化学气相沉积(PECVD)方法来实现。在沉积保护层250之前或在保护层250内适当的位置形成开口(如有必要)之后，可形成顶部反射镜堆叠210的电气触点。
可使用常规技术完成VCSEL制造方法，包括：例如，背面金属沉积，或下部反射镜堆叠上或内的金属沉积，供形成一下部触点。
图4显示的是一具有一中央光圈410的VCSEL400的顶视图。电气触点/连线420包含一围绕光圈410并接触顶部反射镜堆叠的图案化金属层。光圈410周围的四个相似的氧化孔洞270与光圈410之间的间隔等于或者小于空气间隙进入顶部反射镜堆叠内的侧向延伸。结果，伴随氧化孔洞270的空气间隙连在一起环绕着光圈410。另外，电气触点/连线420可包含一条在氧化孔洞之间延伸并连接至光圈410周围区域的迹线或者金属线。光圈410还可位于金属线内部，形成同心圆或方块。
虽然本文已经参考具体实例描述了本发明，该描述仅为本发明的一个应用实例而不应被认为具有限制性。对上述实施例特征的各种修改和组合都属于随附权利要求书所定义的本发明范围内。

Claims (19)

1、一种装置，其包括：
一其中延伸穿过一个孔洞的第一反射镜堆叠，其中一个空隙从所述孔洞的侧壁延伸进入所述第一反射镜堆叠；
一第二反射镜堆叠；
一位于所述第一反射镜堆叠与所述第二反射镜堆叠之间的腔层；及
一在所述第一反射镜堆叠内所述孔洞侧壁上密封所述空隙一端的保护层。
2、如权利要求1所述的装置，其中所述装置包括一个垂直腔面发射激光器。
3、如权利要求1所述的装置，其中所述第一反射镜堆叠包括多个层，并且所述空隙对应于所述层中一个层的清除部分。
4、如权利要求1所述的装置，其中所述保护层包括一第一电介质层。
5、如权利要求4所述的装置，其中所述第一电介质层的厚度小于约6000埃。
6、如权利要求4所述的装置，其中所述保护层进一步包括一第二电介质层。
7、如权利要求6所述的装置，其中
所述第一电介质层包括一位于所述第一反射镜堆叠内所述孔洞侧壁上的氮化硅层；
所述第二电介质层包括一位于所述氮化硅层上的硅氧氮层。
8、如权利要求4所述的装置，其中所述保护层进一步包含一金属层。
9、如权利要求1所述的装置，其中所述第一反射镜堆叠包含一富铝层，并且所述空隙对应于所述富铝层的一清除部分。
10、如权利要求1所述的装置，其中所述空隙完全围绕所述装置的一光圈。
11、一种制造方法，其包括：
在一衬底上形成一第一反射镜堆叠、一腔层和一第二反射镜堆叠；
在所述第一反射镜堆叠中刻蚀一孔洞；
清除所述第一反射镜堆叠中一层的一部分，形成一个从所述孔洞的一侧壁延伸到所述第一反射镜堆叠内的空隙；及
沉积一在所述孔洞侧壁处密封所述空隙一端的保护层。
12、如权利要求11所述的方法，其中形成所述第一反射镜堆叠包括形成铝镓砷层，其中含有所述清除部分的层是一含有最高铝浓度的铝镓砷层。
13、如权利要求12所述的方法，其中清除所述层的所述部分包括：
氧化所述层以形成一氧化物区域；及
蚀刻掉所述氧化物区域的至少一部分。
14、如权利要求13所述的方法，其中蚀刻掉所述氧化物区域的至少一部分包括应用一使用高pH值溶液的湿刻蚀。
15、如权利要求11所述的方法，其中沉积所述保护层包括沉积一厚度小于约2500埃的第一电介质层。
16、如权利要求15所述的方法，其中所述保护层包含氮化硅。
17、如权利要求15所述的方法，其中沉积所述保护层进一步包括沉积一第二电介质层。
18、如权利要求17所述的方法，其中所述第二电介质层包含硅氧氮。
19、如权利要求15所述的方法，其中沉积所述保护层进一步包括沉积一金属层。
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