TW201411975A - 可調式半導體裝置及用於製造可調式半導體裝置之方法 - Google Patents

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Abstract

一種供可調式雷射裝置用之方法及設備。在一實施樣態中，一可調式雷射裝置包含：一第一摻雜包覆層，位在一個半導體基板上；一本質上未摻雜的壓電材料之第一波導層，位在一第一摻雜包覆層之上表面上；一活性層，位在第一波導層之上表面上；一本質上未摻雜的壓電材料之第二波導層，位在活性層之上表面上；一縱向結構，平行於一個半導體裝置之縱軸線，位在一包含一摻雜的半導體材料之第二波導層之上表面上；以及一縱向叉指狀換能器(IDT)，形成於第二波導層之上表面上或在第一波導層之下表面上，此IDT朝一平行於縱軸線之方向縱向地延伸，並因應於一來自一信號產生器之信號而被配置成朝一平行於縱軸線之方向產生一表面聲波(SAW)。

Description

可調式半導體裝置及用於製造可調式半導體裝置之方法
本說明書是有關於包含一表面聲波(SAW)諧振器之可調式半導體雷射裝置。更特別是，本說明書是有關於包含一叉指狀換能器(interdigitated transducer，IDT)之這種裝置，關於一種用於形成這種可調式半導體雷射裝置之製程及其操作。
雷射係為一種發光裝置，其執行光學放大以產生一狹小光譜光束。傳統上，一種二極體雷射係藉由使用半導體材料而建構。一種p-n接面係藉由摻雜一晶體晶圓而形成，用於產生一p型第一區域與一n型第二區域。施加一順向偏壓至p-n接面迫使P型區域中之電洞與N型區域中之電子朝向p-n接面。這些電子與電洞在p-n接面中再結合，藉以導致光子從此區域放射。放射光子之波長係基於轉變能量，其係為一電子電洞對與一再結合的電子和電洞之間的能量差異。接著，這些光子可刺激p-n接面之更進一步的再結合，並藉以導致放大。
關於p-n接面構造之一種共同設計係為雙異質結構。一般而言，一種異質結構係為在一低與一高帶間隙材料之間的接觸層。一雙異質結構由一層介設在兩層之高帶間隙材料之間的低帶間隙材料所構成。異質結構被設計係用於改善雷射之效率。被稱為活性層之低帶間隙中間層係為電子電洞對再結合並發光之區域。這個中間層被製成薄的，俾能使其作為一量子井，藉以限制電子電洞對，其更進一步的改善雷射之效率。
為了限制p-n接面中的光，異質結構本身被介設在比異質結構更低的折射率之兩層之間。這些層形成一包覆層(cladding)，其 導致異質結構內之光的限制。這種構造導致此活性層作為一波導，除了於末端小平面(end facet)以外，光無法從此波導脫離，而於末端小平面處，此光藉由設計是用於離開此裝置。
每種雷射需要一光學反饋機構以確保光不會立即經由末端小平面離開此活性層，反而是取而代之的是反饋進入活性層以導致更刺激的放射轉變。一般而言，光學反饋必須使此裝置產生一雷射光束。光學增益存在之區域(活性層)在操作中形成一光學放大器。反饋機構選擇哪一個波長被反饋回活性層以供放大，並決定中央波長與雷射之雷射線寬度。已知的雷射利用各種用於建立光學反饋之手段。
舉例而言，一種法布里-伯羅(Fabry-Perot)雷射提供位在活性層之相反側上的反射表面。建立一光學反饋機構之替代手段係譬如藉由蝕刻以在靠近活性層之包覆層中雕刻一永久周期性結構。選定此結構之周期性以利用布拉格(Bragg)反射選擇性地提供反饋給具有一特定雷射波長之光。這種型式之雷射二極體被稱為一種分佈反饋(distributed feedback)二極體雷射(DFB二極體雷射)。於此型式之雷射中，活性層之光場可以說是耦合至此周期性結構。在DFB二極體雷射中(這裡理解為：雷射，於此本質上全部的雷射諧振器包含一周期性結構，於其中產生布拉格反射)，辨別出兩種型式之活性層之光場之耦合至周期性結構：指數耦合與增益耦合。如果活性層之增益係藉由某些手段而周期性地被修改，則此系統被視為增益耦合。如果包覆層或活性層之折射率被周期性地組織起來，則此系統被視為指數耦合。雷射之作用情形在增益與指數耦合的DFB二極體雷射之間是顯著不同的。
在DFB二極體雷射中之另一種實施樣態係為活性層之光場之耦合至周期性修改之強度。一般而言，耦合之特徵為下述三種情況之其中一個：過度耦合、較劣耦合(under-coupled)與臨界耦合。在過度耦合的情況下，周期性修改太強，其導致雷射未適當地發生作用，其乃因為傳播光無法存在於活性層中。在較劣耦合的情況下，周期性結構太弱以致於無法提供足夠的反饋，且又其 導致雷射同樣地未適當地發生作用，其乃因為光過早地退出小平面(facets)。最後，在臨界耦合的情況下，耦合對於良好雷射特徵是最佳的。需要用於達到臨界耦合之耦合之正確強度主要取決於增益。通常，在臨界耦合出現的情況下，存在一狹窄範圍之耦合強度。
可調式雷射係為一種具有一可基於一控制輸入而被改變或指定之波長之雷射。因為一可調式雷射並未具有單一固定的中央波長，所以一可調式雷射需要一可調節的反饋系統。舉例而言，為了藉由使用分佈反饋來實施一可調式雷射，利用了用於將可調節的周期性變形導入在材料之表面上之手段。
表面聲波(SAW)係為一種彈性變形波，其沿著一固態材料之介面與真空或空氣或沿著兩種具有不同音速之固態材料之介面傳播。這種型式之波之熟知例子係為瑞利波(Raleigh wave)與漏表面聲波。一種純SAW只沿著介面傳播，且其並未傳播遠離那個介面。反而是，垂直遠離此介面，聲波振幅(acoustical amplitude)隨著到達此介面之增加的距離而指數函數地衰減。此衰減長度大約等於SAW之波長。因為聲波之能量本質上只存在於此介面以及在一圍繞此介面之薄區域中，所以利用SAW比利用體聲波(bulk acoustical waves)需要相當低之功率來達到一定程度之聲壓。因此，為了達到一定程度之聲壓，SAW裝置一般只需要體聲波裝置之一少量之功率。一般而言，當產生聲波時，頻率的增加導致所需要的功率的增加來激發此聲波。因此，當產生SAW而不是體聲波時，所需要的功率位準之減少在產生高頻率波時甚至更大。再者，從一工程遠景來看，SAW是更好控制的，其乃因為它們本質上只存在於此介面，而因此不太可能阻礙其餘之裝置。
SAW係藉由將一輸入信號轉換成一在一固態材料之表面上的周期性的彈性變形而產生。接收輸入信號並將其轉換成一SAW之裝置被稱為一SAW轉換器。一般而言，一SAW轉換器由一層之壓電材料所構成，其上被置放一組以一種交替方式交互連接之 定期隔開的線狀構造。這種型式之SAW轉換器被稱為一叉指狀換能器或IDT。一SAW係在一IDT連接至一交流電(AC)信號時被產生。在某些設計上，產生的SAW之空間頻率只可等於線構造之空間頻率或其之一較高的泛音(overtone)。這種型式之IDT被稱為一窄頻IDT。或者，一寬頻IDT利用IDT上之線狀構造之一種不同設計，用於在一寬頻之空間頻率之內產生SAW。一般而言，按照輸入信號之振幅，SAW之振幅係為一單調上升函數。SAW轉換器與一信號產生器之組合於此被稱為SAW產生器。
一般而言，為了形成一種半導體構造，數層之材料係連續被沈積在一基板上。依據此構造，每個層可能需要蝕刻。蝕刻係為移除並未受到蝕刻製程期間所沈積之光阻保護之區域中的一材料之最上層之行動。習知技藝有熟知各種蝕刻製程。舉例而言，利用電漿以移除未受保護的區域之乾蝕刻係為一種通常使用的製程。或者，可使用利用液體化學以溶解未受保護的區域之濕蝕刻。每個蝕刻製程使用一例如光阻之屏蔽材料，用於遮蔽或保護特定區域免於蝕刻製程。舉例而言，光阻遮罩係藉由使用光刻而被圖案化以保護待被蝕刻之一層之數個部分(其係為此構造之一部分)。需要蝕刻之每一層必須各別被蝕刻。
更特別是，形成一包含一IDT之可調式雷射之製程可以是一種困難的多層級製程，其需要許多調整與校準。本發明揭露用於形成一具有一整合式IDT之可調式雷射之有效製程，其降低形成此裝置之複雜性，並使此裝置之尺寸最小化。
本說明書說明關於提供一種改良的可調式雷射裝置以及一種用於製造這種裝置之方法之技術。
一般而言，一種說明於本說明書中之主題之創新實施樣態係可利用數種方法被具體化，這些方法包含下述動作：在一個半導體基板上形成一第一摻雜包覆層，第一摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，下表面與半導體基板接觸；在第一摻雜包覆層之上表面上形成一本質上未摻雜的壓電材料之第一波導層，第一波導 層具有一上表面與一下表面，下表面與第一摻雜包覆層之上表面接觸；在第一波導層之上表面上形成一活性層，活性層具有一上表面與一下表面，下表面與第一波導層之上表面接觸；在活性層之上表面上形成一本質上未摻雜的壓電材料之第二波導層，第二波導層具有一上表面與一下表面，下表面與活性層之上表面接觸；在第二波導層之上表面上形成一第二摻雜包覆層，第二摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，下表面與第二波導層之上表面接觸；從第二摻雜包覆層之上表面蝕刻一第二摻雜包覆層之第一部分，用於從一第二摻雜包覆層之第二部分形成一縱向結構，縱向結構係朝一平行於一個半導體裝置之縱軸線之方向；以及在第二波導層之上表面或第一波導層之下表面之其中一個上形成一第一縱向叉指梳狀結構，叉指梳狀結構與本質上未摻雜的壓電材料係為一叉指狀換能器(IDT)，其朝一平行於縱軸線之方向縱向地延伸，並因應於一來自一信號產生器之信號而被配置成朝一平行於縱軸線之方向產生一表面聲波(SAW)。
另一種說明於本說明書中之主題之創新實施樣態係可利用數種方法被具體化，其包含下述動作：在一個半導體基板上形成一第一摻雜包覆層，第一摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，下表面與半導體基板接觸；在第一摻雜包覆層之上表面上形成一本質上未摻雜的壓電材料之第一波導層，第一波導層具有一上表面與一下表面，下表面與第一摻雜包覆層之上表面接觸；在第一波導層之上表面上形成一活性層，活性層具有一上表面與一下表面，下表面與第一波導層之上表面接觸；在活性層之上表面上形成一本質上未摻雜的壓電材料之第二波導層，第二波導層具有一上表面與一下表面，下表面與活性層之上表面接觸；在第二波導層之上表面上形成一第二摻雜包覆層，第二摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，下表面與第二波導層之上表面接觸；從第二摻雜包覆層之上表面蝕刻一第二摻雜包覆層之第一部分，用於從一第二摻雜包覆層之第二部分形成一縱向結構及一縱向叉指狀換能器(IDT)，縱向結構係朝一平行於一個半導體裝置之縱軸線之方 向，蝕刻暴露一第二波導層之第一表面部分，且此IDT形成於第二波導層之第一表面部分上，並朝一平行於縱軸線之方向縱向地延伸，且因應於一來自一信號產生器之信號而被配置成朝一平行於縱軸線之方向產生一表面聲波(SAW)。
另一種說明於本說明書中之創新實施樣態之主題係可在一可調式半導體裝置中被具體化，該可調式半導體裝置包含：一第一摻雜包覆層，位於一個半導體基板上，第一摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，下表面與半導體基板接觸；一本質上未摻雜的壓電材料之第一波導層，位於第一摻雜包覆層之上表面上，第一波導層具有一上表面與一下表面，下表面與第一摻雜包覆層之上表面接觸；一活性層，位於第一波導層之上表面上，活性層具有一上表面與一下表面，下表面與第一波導層之上表面接觸；一本質上未摻雜的壓電材料之第二波導層，位於活性層之上表面上，第二波導層具有一上表面與一下表面，下表面與活性層之上表面接觸；一平行於一個半導體裝置之縱軸線之縱向結構，位於第二波導層之上表面上，包含一摻雜的半導體材料；以及一縱向叉指狀換能器(IDT)，形成於第二波導層之上表面或第一波導層之下表面之其中一個上，IDT朝一平行於縱軸線之方向縱向地延伸，並因應於一來自一信號產生器之信號而被配置成朝一平行於縱軸線之方向產生一表面聲波(SAW)。
說明於本說明書中之主題之一個或多個實施例之細節係在附圖與以下說明中被提出。此主題之其他特徵、實施樣態以及優點將從說明、圖式以及申請專利範圍而更顯清楚。
100‧‧‧可調式雷射裝置
100"‧‧‧裝置
102‧‧‧基板
104‧‧‧第一摻雜包覆層
106‧‧‧第一波導層
108‧‧‧活性層
110‧‧‧第二波導層
110"‧‧‧裝置
112‧‧‧第二摻雜包覆層
112'‧‧‧第二摻雜包覆層/第二包覆層/被蝕刻表面
113‧‧‧第一表面部分/上表面
114‧‧‧縱向結構
115‧‧‧上表面部分/頂端部分
116‧‧‧第一縱向叉指梳狀結構/第一叉指梳狀結構/第一IDT
118‧‧‧第二縱向叉指梳狀結構/第二梳狀結構/第二IDT
122A、122B、122C、122D‧‧‧接觸焊墊
122E‧‧‧接觸焊墊/接觸面
200‧‧‧製程
202、204、206、208、210、212‧‧‧步驟
220‧‧‧製程
300‧‧‧深蝕刻示範製程
302、304、306、308、310、312、314‧‧‧步驟
圖1A係為一種包含一整合式IDT之可調式雷射裝置之一示範實施例之剖面圖。
圖1B係為一包含一整合式IDT之可調式雷射之一示範實施例之架空視圖。
圖2係為用於形成一種包含一整合式IDT之可調式雷射之一示範製程之流程圖。
圖3A係為一種包含一整合式IDT之可調式雷射之一替代示範實施例之剖面圖。
圖3B係為用於形成一種包含一整合式IDT之可調式雷射之一替代示範實施例之一示範製程之流程圖。
圖4係為一種包含一整合式IDT之可調式雷射之一深蝕刻示範實施例之剖面圖。
圖5係為用於形成一種包含一整合式IDT之可調式雷射之一深蝕刻示範製程之流程圖。
在各種圖式中之相同的參考數字與稱號表示相同的元件。
本發明提供一種設計，其中一IDT係橫向地被置放鄰接於一個半導體雷射裝置之一活性區域及鄰接於在其內之雷射光束之路徑。這種配置允許IDT之有利的配置本質上鄰接於活性區域之全部或大部分。此外，這種配置較佳是經由IDT結構之週期性(periodicity)避免損失耦合之問題。此IDT係被設計成使一聲波諧振器將被形成於一最接近雷射之活性層之區域中。一持續性聲波係在激發之時形成在那個區域中，藉此並未產生雷射波長中之一都普勒偏移(Doppler shift)。
雷射裝置之端面可能是末端小平面，但亦可能是半導體結構之其他邊界。這些端面必須被設計成使它們並未藉由譬如導入強大的法布里-伯羅(Fabry Perot)模式而擾亂此反饋。這可藉由以下方式來達成：沈積抗反射塗層，略斜的脊波導(例如1-10度)或藉由使脊波導之至少一部分彎曲以便減少來自一端面之反射，或只藉由防止端面將一光吸收器配置在一側上以及譬如將一光纖或陣列波導光柵配置在另一側上(“對接耦合(butt coupling)”)。又，一小平面可以成對角線地被切割成橫向方向，以便避免SAW沿著此表面反射回來，而是使它們被散射進入大部分的材料，於此它們快速地被散去。
電力係藉由注入通過雷射之活性區域之電流而耦合進入雷射。此電流可能藉由使用多重方法(例如，一設置於下表面上之 接觸面)而被取汲。或者，可使用側向電力連接以允許從一側至另一側的電流注入。
圖1A與圖1B分別顯示一種包含一整合式IDT之可調式雷射裝置100之一實施例之剖面圖與架空視圖。這些圖中之相對尺寸係僅為了說明之目的，且如描繪的並未按比例縮放。可調式雷射係為一種包含一p-n接面(例如一III-V接面)之半導體雷射裝置。於某些實施例中，一種雷射設計可以是一量子串級雷射、一分離限制異質結構、一量子井雷射或一雙重異質結構雷射。各種材料可以用來形成此雷射結構，例如砷化鎵(GaAs)、磷酸銦(InP)、銻化鎵(GaSb)及氮化鎵(GaN)或這些材料之混合物，例如InxGa1-xAlyAs1-y。然而，可使用符合本發明以形成雷射結構之其他適當材料。
如圖1A與1B所示之雷射裝置100包含一介設在一第一波導層106與一第二波導層110之間的活性層108。波導層被設計成限制在兩個波導之間的活性層之光。因此，光將在活性層中傳播。雷射裝置100係藉由使一第一摻雜包覆層104沈積在一基板102之頂端上而形成。一本質上未摻雜的壓電材料之第一波導層106接著被沈積在第一包覆層104之上表面上。一活性層108係形成於第一波導層106之頂端上。活性層108係為一具有一低功函數之不導電層，其被設計成限制注入至雷射裝置中之電子電洞對。一本質上未摻雜的壓電材料之第二波導層110可被沈積在活性層108之頂端上。
在第二波導層110上面，沈積了一第二摻雜包覆層112'。第二摻雜包覆層112'係依據一第一摻雜梯度而被摻雜，第一摻雜梯度具有一與如從第二波導層110之一上表面113所測量的縱向結構114之一垂直高度成比例的摻雜濃度的增加量。這個摻雜梯度導致碰到上表面113之縱向結構之底部部分包含本質上未摻雜的半導體材料。反之，縱向結構114之頂端部分115係相對於縱向結構114之本質上未摻雜的部分而被高度地摻雜。在某些實施例中，第一摻雜包覆層104朝相反方向亦可具有一類似的摻雜梯 度，以使第一摻雜包覆層104之上表面(其係與第一波導層106之下表面接觸)本質上包含未摻雜的半導體材料，而第一摻雜包覆層104之下表面(其係與基板102之上表面接觸)係相對於包覆層104之本質上未摻雜的部分而被高度地摻雜。
縱向結構114係顯示為具有一從頂端部分115至上表面113之垂直邊緣。然而，在某些實施例中，縱向結構114可包含彎曲側，以使上表面部分115具有比縱向結構114之基底更小的寬度。在又其他實施例中，縱向結構114可包含兩個以上的分層階梯狀部分，以使包含一頂端階梯狀部分之頂端部分115具有比形成一縱向結構114之基底之一底部階梯狀部分更小的寬度。
接著可使用數個製程來形成本發明之實施例，其包含一縱向結構114、一第一縱向叉指梳狀結構116以及一在第二波導層之頂端上之第二縱向叉指梳狀結構118。關於一第一實施例之一個示範製程(如顯示於圖1B中)係相關於圖2作說明。
雷射裝置100之第一實施例包含一縱向結構114，其形成一脊波導(RWG)。脊波導提供光場之額外側向限制，其導致更少光學模式與一更狹小的雷射線寬度。雷射裝置100之第一實施例亦包含一被置放於縱向結構114之頂端上的導電條，以便促進電流注入。
雷射裝置100之第一實施例亦包含一個或多個整合式IDT。如圖1A與圖1B所示之實施例包含兩個IDT，其中第一IDT包含一梳狀結構116與在梳狀結構116之下的本質上未摻雜的壓電材料，而第二IDT包含一第二梳狀結構118與本質上未摻雜的壓電材料。IDT兩者係被置放於第二波導層110之本質上未摻雜的壓電材料之一共用的單一層上。
每個IDT朝一縱方向延伸，並包含兩個聯鎖梳(interlocking combs)，如圖1B所示。形成梳狀結構116與118之導電材料可能是例如金之金屬。或者，IDT可能是一種包含一充分摻雜的半導體材料之結構。一般而言，這些梳界定高與低導電性之交插區域。舉例而言，於IDT之梳係藉由一導電金屬材料而形成之本實 施例中，梳齒係為高導電區域，而挾在中間的間隙係為低導電區域。
第二波導層110之本質上未摻雜的壓電材料可能譬如是石英、鈮酸鋰以及氧化鋅或其他本質上未摻雜的半導體，像是InP、GaSb或GaAs。因為如圖1A所示之雷射裝置包含第二波導之一露出部分(其係為一層本質上未摻雜的壓電半導體材料)，所以梳狀結構可以直接被置放於第二波導之露出部分上。這消除了為待被置放於頂端上之梳狀結構沈積一額外層之壓電材料以便形成一個或多個IDT之需求。如相關於下方圖2所將說明的，包覆層112'在被沈積在第二波導層110上之後，係被蝕刻以形成縱向結構114。因此，112'之假想區域係為已藉由蝕刻製程被移除之包覆層112'之部分。
雷射裝置更包含每個IDT之接觸面。接觸焊墊122A與122C係連接至第一IDT 116並被設計成用於接收一AC信號以便產生一SAW。同樣地，接觸焊墊122B與122D係連接至第二IDT 118並被設計成用於接收一AC信號以便產生一SAW。舉例而言，施加一電氣信號(例如在GHz範圍中之射頻(RF)信號)，可產生一表面聲波(SAW)。由於IDT之縱方向，如圖1B所示，SAW將結合以朝縱方向形成單一直立SAW。
IDT係對稱地被置放於縱向結構114之反側上，如圖1A與圖1B所示。舉例而言，對稱的配置可指定一段在第一IDT 116與平行縱向結構114之間的特定距離，其係等於在第二IDT 118與平行縱向結構之間的距離。這樣的配置產生一結合的SAW，其具有一在第一與第二IDT之間的極值振幅。然而，依據本發明並不需要對稱的設計。在本發明之一個實施例中，雷射裝置可包含單一IDT。
在操作上，縱向結構114係經由一接觸焊墊122E連接至一電流。藉由將一正DC電壓連接至頂端接觸焊墊122E並將一接地DC電壓連接至一底部接觸面，可能將一電流注入至雷射中。當電流流經雷射裝置時，迫使電子電洞對到達它們再結合並產生光 子之活性區域。因此，在雷射裝置之內產生一光束。更特別是，電流係經由接觸面122E與縱向結構114被注入至大部分的半導體材料。電流係經由一置放於基板102之底部上的接觸面而被取汲。電流導致活性區域形成，其中光學增益在活性層108中產生。活性區域一般可能是1-10微米寬且延伸遍及本質上縱向結構114之整個長度。相反方向之兩個運行波(running wave)之干擾可產生一直立SAW，其出現遍及本質上產生這些波之IDT之整個長度，從而遍及本質上活性區域之整個長度。
SAW引發雷射材料之折射率變化，其引起一布拉格光柵。布拉格光柵具有一週期性，其取決於施加至IDT之(RF)信號之頻率與SAW之速度。因此，布拉格光柵可以被施加至IDT之信號所控制。因此，受控制的光柵形成讓雷射發生效用所需要的光學反饋。改變IDT之輸入信號之頻率因而改變了雷射的中央波長。因此，雷射之中央波長可能受控制。
圖2之製程200係為一種用於形成圖1A與圖1B所顯示之可調式半導體雷射裝置之第一實施例之示範製程。首先，一第一摻雜包覆層104係藉由使一層之摻雜的半導體材料沈積在一基板102之上表面之頂端上而形成(202)。基板係為一固態半導體材料。製程200接著在第一摻雜包覆層104之上表面之頂端上形成本質上未摻雜的壓電材料之一第一波導層106(204)。未摻雜的壓電材料可能譬如是一種III/V半導體材料。一活性層108係形成於第一波導層106之上表面之頂端上(206)。活性層係為不導電層，其具有一低功函數以確保活性層限制電子電洞對。本質上未摻雜的壓電材料之一第二波導層110係形成於活性層108之上表面上(210)，然後，一第二包覆層112'係形成於第二波導層110之上表面之頂端上(210)。第二摻雜包覆層112'係依據上述之摻雜梯度而被摻雜。
製程200接著從第二摻雜包覆層之上表面蝕刻第二摻雜包覆層112'之一第一部分以形成一縱向結構114(212)。此蝕刻會移除第二摻雜包覆層112'之部分，其係由圖1A之假想線所表示。這 會露出第二波導層110之上表面113之一部分。第二包覆層112'之剩下部分形成用於作為一脊波導之縱向結構114。
最後，一第一縱向叉指梳狀結構116係形成於第二波導層110之第一表面部分113上(214)。第一梳狀結構116可能由一例如金之導電金屬所形成。此金屬係以一種交插方式被配置，例如如圖1B所示元件116(與118，其係為被形成之一第二梳狀結構)。梳狀結構116可譬如藉由使一金屬層沈積在第二波導層110之上表面113之第一部分之頂端上並蝕刻此金屬層而形成，因而用於形成說明的梳狀結構116。在本質上未摻雜的壓電第二波導層之露出區域之頂端上形成梳狀結構，會在可調式半導體雷射裝置之內形成整合式IDT。
第二波導110因此擔任兩項功能。第一功能係用於限制在其下表面之下的光。第二功能係用於提供一種利用在形成整合式IDT結構上之本質上壓電材料。於圖1A所顯示之本實施例中，第二波導係為包含梳狀結構116之第一IDT之一部分，且亦為包含梳狀結構118之第二IDT之一部分。這降低形成包含整合式IDT之可調式雷射之複雜性，並縮小此裝置之整體尺寸。
在本發明之一實施例中，第一與第二梳狀結構係相關於縱向結構114而對稱地被置放，並平行於本質上延伸遍及此裝置之整個長度之縱向結構來延伸。這種實施例允許一直立SAW之產生，此直立SAW在遍及此裝置之整個長度之縱向結構114之內或之下，於一場地(location)具有一極值。
在一替代實施例中，第二IDT可能比第一IDT來得短。此外，第二IDT可具有一不同於第一IDT之週期性。這種兩個IDT之配置可譬如提供一較寬範圍之光學波長之覆蓋，並隨後增加雷射之調整範圍。
在一實施例中，在縱向結構與一個或多個梳狀結構之間的橫向方向中的距離或孔洞(void)係在50nm與100微米(μm)之間，最好是在100nm-10微米之間。在一實施例中，在活性區域之中心與IDT之梳狀結構之間的距離係在50nm與150微米(μm) 之間，最好是在100nm-15微米之間。
光學波長可能藉由下述公式作說明：λ optical =2nv accoustic /(of)其中n係為材料之折射率，o係為布拉格光柵階數(grating order)，v accoustic 係為SAW速度，而f係為SAW之RF頻率。
表面聲波朝向活性層局部滲入半導體材料，並在二極體材料中產生規則的折射率變化。數學上，一折射率可被表示成一複數n+ik，於此k>0表示損失(緩衝阻尼)，而k<0意指增益。規則的指數變化造成規則的反射，從而形成一聲波誘導布拉格光柵。一較低的光柵階數需要一較高的RF頻率，而一較高的階數具有更有利的最小特徵尺寸。對雷射而言，具有在GHz範圍中的頻率之SAW係被使用於便設定一適當的布拉格光柵。於某些實施例中，此裝置係適合於在操作條件之下用於形成一布拉格光柵，其相關於期望雷射波長具有一奇數階數，最好是一低的奇數階數，例如第一階數、第三階數，或第五階數。在某些實施例中，此階數最好是小於10。
上述範圍可提供足夠的SAW誘導光柵同時避免損失耦合。更特別是，此SAW係藉由一梳狀結構之齒部而產生，從而當距離梳狀結構之齒部之尖端之距離增加時，SAW之強度降低。因此，齒部之尖端一定不會太遠離RWG，否則SAW與光場不存在有足夠的耦合。舉例而言，假設裝置100係為一於10μm之波長下的量子串級雷射，並於一第9階數之SAW光柵下操作。因此，聲波波長係在20μm左右。因為聲波之振幅朝任何非傳播方向指數函數地衰減，所以振幅將減少成為exp(-d/lambda)。一合理閾值之估計將譬如是轉換器內部之SAW之振幅之exp(-5)。因此，獲得了5 x 20μm之一最大可工作的距離。
另一方面，當從梳狀結構之齒部之尖端至RWG之距離一特定閾值以下時，譬如100nm，將產生光場與齒部之一顯著重疊。在這種情況下，一損耗耦合DFB被形成，且其無法被調整。換言之，在梳狀結構之齒部之尖端之間的距離必須在一第一閾值之 上，以使一最小值或重疊產生在光場與齒部之尖端之間。此距離亦必須是在一第二閾值以下，以使SAW與此光場之間的耦合大到足以影響依據本發明之光場，如上所述。
因此，梳狀結構不得經由對從裝置之活性區域顯現之光場的影響來支配SAW之效果。舉例而言，如果梳狀結構萬一與RWG接觸，則由於歐姆損失，光場本質上將完全地被梳狀結構所吸收。反之，當梳狀結構之影響係小於由SAW所導致的指數變化之影響(例如大約10%)時，此SAW將支配光學反饋，且可做出一可調式雷射。這種狀況於大約50nm距離和以上出現；然而，特定距離將取決於雷射二極體之設計與尺寸。
在一依據本發明之實施例中，交插的傳導線可能是20-200nm，最好是50-100nm高與10-250微米，在橫向方向上最好是20-100微米長。在一依據本發明之實施例中，縱向結構114具有一高度，其朝一從至少0.05微米(最好是至少1.0微米，且最多是5.0微米)之上表面伸出之方向延伸。最後，縱向尺寸可能是5%-50%，最好是SAW之波長之20%-30%。
雷射裝置可能與一個或多個整合信號產生器結合，更特別是一RF信號產生器，俾能使雷射裝置之每個IDT連接至整合信號產生器。在這種實施例中，接觸焊墊122A、122B、122C以及122D可被製成更小或完全被剔除並被到達整合信號產生器之各個接觸面或連接點之傳導線所置換。技術人員將知道適當的信號產生器設計，其可以較佳是與一依據本發明之可調式半導體雷射整合為一體，甚至併入與半導體雷射相同的晶片上。一具有一整合信號產生器之可調式雷射可能由本質上相同的半導體材料所形成。在一將這些功能整合在一個晶片內之實施例中，可消除產生雷射裝置外部之RF之需要。
在某些實施例中，一層絕緣材料與一層聚合物可能被沈積在被蝕刻表面112'之頂端上。此外，一層導電金屬接觸部可能被沈積在縱向結構114之上端上。在某些實施例中，絕緣材料可能是Al2O3，且金屬接觸部可能是一金的金屬接觸部。
圖3A顯示一種包含一整合式IDT之可調式雷射裝置之一替代實施例。一類似於用於形成替代實施例之製程200之製程220係揭露於圖3B之流程圖。於本實施例中，梳狀結構116與118係包含在第一本質上未摻雜的波導層106中。
製程220藉由在基板102之上表面之頂端上形成一第一摻雜包覆層104開始(222)。接著，一第一叉指梳狀結構116係形成於第一摻雜包覆層104之上表面之頂端上，而一本質上未摻雜的半導體材料之一第一波導層106係形成於梳狀結構與第一摻雜包覆層104之頂端上(224)。其餘製程220係類似於製程200。剩下的層係相繼被沈積在彼此之頂端上，而第二摻雜包覆層112'係被蝕刻以形成縱向結構114。然而，於本實施例中，不存在有被置放於第二波導層之頂端上的IDT。
在其他實施例中，額外的IDT可能形成於第二波導層之頂端上與在第一波導層之下。亦可使用不同的配置，其中叉指梳狀結構係被置於與第一波導層、第二波導層或其他在雷射裝置之內之本質上壓電材料接觸。
圖4顯示本發明之又另一實施例。於本實施例中，梳狀結構116與118係在一蝕刻製程期間由具有縱向結構114之上部包覆層所形成。一用於製造裝置100"之示範製程係相關於圖4作說明，其係為一用於形成裝置110"之深蝕刻示範製程300之流程圖。
因為縱向結構114與梳狀結構116與118係由包覆層112之摻雜的半導體材料所形成，所以縱向結構114與梳狀結構116與118兩者都具有相同的摻雜梯度，其中存在有一與如從第二波導層110之上表面113所測量的縱向結構114之一垂直高度成比例的摻雜濃度的增加量。梳狀結構116與118具有一等於縱向結構114之高度。
製程300之步驟302、304、306、308、310與312係類似於製程200之步驟202、204、206、208、210與212。然而，製程300之步驟314從第二摻雜包覆層112之上表面蝕刻第二摻雜包覆層112'之一第一部分，用於形成縱向結構114與縱向梳狀結構 116。因此梳狀結構116與118與縱向結構114係由第二摻雜包覆層所形成。
因此，在深蝕刻實施例中，梳狀結構之高度可能等於縱向結構114之高度，如圖4所示。此外，因為梳狀結構與縱向結構係由單一層之特定材料(包含一特定摻雜梯度)所形成，所以摻雜梯度在兩個結構上可能是相同的。本實施例更進一步藉由從已經存在於一雷射裝置中之層形成一整個IDT來降低形成可調式雷射裝置之複雜性。
在操作上，此裝置除了RF信號以外可能需要一相反DC偏壓，以便確保RF信號不會經由下方基板而短路並增加肖基勢壘(Schottky barrier)。這促進更好的電力耦合至SAW。類似於上述討論之變化與實施例之額外變化與實施例亦可在深蝕刻的可調式雷射裝置中被實施。
雖然本說明書包含許多特定實行細節，但這些不應被解釋成對於任何發明或可能主張的範疇之限制，而是特定發明之特定實施例特有的特徵之說明。在各別實施例之上下文中說明於本說明書中之某些特徵亦可以在單一實施例中組合被實施。反之，說明於單一實施例之上下文中之各種特徵亦可各別地在多重實施例中或在任何適當的子組合中被實施。此外，雖然前文之特徵可能被說明成作用在某些組合上且即使起先如此主張申請專利範圍，但來自一主張申請專利範圍之組合之一個或多個特徵在某些情況下可以從此組合刪除，且此主張申請專利範圍之組合可能指向一子組合或一子組合之變化。
同樣地，雖然操作係依一特定順序被描繪於附圖中，但這不應被理解成要求這種操作依顯示的特定s順序或依連續順序被執行，或要求所有顯示的操作被執行，用於達到期望的結果。此外，上述實施例中的各種系統元件之分離不應被理解成要求在所有實施例中這樣分離，且吾人應理解到說明的元件與系統一般可一起被併在單一產品中。
因此，已說明此主題之特定實施例。其他實施例係在以下申 請專利範圍之範疇之內。在某些情況下，在申請專利範圍中所列舉的動作可依一不同順序被執行且仍然達到期望的結果。此外，描繪於附圖中之製程未必要求所顯示的特定順序或連續順序，用於達成期望的結果。
100‧‧‧可調式雷射裝置
102‧‧‧基板
104‧‧‧第一摻雜包覆層
106‧‧‧第一波導層
108‧‧‧活性層
110‧‧‧第二波導層
112'‧‧‧第二摻雜包覆層/第二包覆層/被蝕刻表面
113‧‧‧第一表面部分/上表面
114‧‧‧縱向結構
115‧‧‧上表面部分/頂端部分
116‧‧‧第一縱向叉指梳狀結構/第一叉指梳狀結構/第一IDT
118‧‧‧第二縱向叉指梳狀結構/第二梳狀結構/第二IDT

Claims (14)

  1. 一種用於形成一半導體裝置之製程，包含：在一半導體基板上形成一第一摻雜包覆層，該第一摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，該下表面與該半導體基板接觸；在該第一摻雜包覆層之該上表面上形成一本質上未摻雜的壓電材料之第一波導層，該第一波導層具有一上表面與一下表面，該下表面與該第一摻雜包覆層之該上表面接觸；在該第一波導層之該上表面上形成一活性層，該活性層具有一上表面與一下表面，該下表面與該第一波導層之該上表面接觸；在該活性層之該上表面上形成一本質上未摻雜的壓電材料之第二波導層，該第二波導層具有一上表面與一下表面，該下表面與該活性層之該上表面接觸；在該第二波導層之該上表面上形成一第二摻雜包覆層，該第二摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，該下表面與該第二波導層之該上表面接觸；從該第二摻雜包覆層之該上表面蝕刻該第二摻雜包覆層之一第一部分，用於從該第二摻雜包覆層之一第二部分形成一縱向結構，該縱向結構係朝一平行於該半導體裝置之一縱軸線之方向；以及在該第二波導層之該上表面或該第一波導層之該下表面之其中一個上形成一第一縱向叉指梳狀結構，該叉指梳狀結構與該本質上未摻雜的壓電材料係為一叉指狀換能器(IDT)，其朝一平行於該縱軸線之方向縱向地延伸，並因應於一來自一信號產生器之信號而被配置成朝一平行於該縱軸線之方向產生一表面聲波(SAW)。
  2. 如申請專利範圍第1項之製程，其中在該第二波導層之該上表面或該第一波導層之該下表面其中之一個上形成一第一縱向叉指梳狀結構，包含： 藉由使一金屬層沈積在該第二波導之該上表面部分上，在該第二波導層之一上表面部分上形成該第一縱向叉指梳狀結構。
  3. 如申請專利範圍第2項之製程，其中在該第二波導層之該上表面部分上形成該第一縱向叉指梳狀結構，包含：形成兩個運行波延伸遍及該活性層之一整個長度並與該縱向結構隔開之該第一縱向叉指梳狀結構。
  4. 如申請專利範圍第3項之製程，其中在該第二波導層之該上表面部分上形成該第一縱向叉指梳狀結構，包含：形成與該縱向結構隔開了一段在50nm與100微米(μm)之間的距離之該第一縱向梳狀結構。
  5. 一種用於形成一個半導體裝置之製程，包含以下步驟：在一個半導體基板上形成一第一摻雜包覆層，該第一摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，該下表面與該半導體基板接觸；在該第一摻雜包覆層之該上表面上形成一本質上未摻雜的壓電材料之第一波導層，該第一波導層具有一上表面與一下表面，該下表面與該第一摻雜包覆層之該上表面接觸；在該第一波導層之該上表面上形成一活性層，該活性層具有一上表面與一下表面，該下表面與該第一波導層之該上表面接觸；在該活性層之該上表面上形成一本質上未摻雜的壓電材料之第二波導層，該第二波導層具有一上表面與一下表面，該下表面與該活性層之該上表面接觸；在該第二波導層之該上表面上形成一第二摻雜包覆層，該第二摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，該下表面與該第二波導層之該上表面接觸；以及從該第二摻雜包覆層之該上表面蝕刻該第二摻雜包覆層之一第一部分，用於從該第二摻雜包覆層之一第二部分形成一縱向結構及一縱向叉指狀換能器(IDT)，該縱向結構係朝一 平行於該半導體裝置之一縱軸線之方向，該蝕刻暴露該第二波導層之一第一表面部分，且該IDT形成於該第二波導層之該第一表面部分上，並朝一平行於該縱軸線之方向縱向地延伸，且因應於一來自一信號產生器之信號而被配置成朝一平行於該縱軸線之方向產生一表面聲波(SAW)。
  6. 如申請專利範圍第1或5項中任一項之製程，其中形成該第一波導層與形成該第二波導層包含：由一III/V半導體材料形成該第一波導層與形成該第二波導層。
  7. 如申請專利範圍第5項之製程，其中從該第二摻雜包覆層之該上表面蝕刻該第二摻雜包覆層之該第一部分，用於從該第二摻雜包覆層之該第二部分形成該縱向結構與該縱向叉指狀換能器包含：形成本質上延伸遍及該活性層之一整個長度並與該縱向結構隔開之該第一縱向叉指狀換能器。
  8. 如申請專利範圍第7項之製程，其中形成本質上延伸遍及該活性層之一整個長度並與該縱向結構隔開之該第一縱向叉指狀換能器包含：形成與該縱向結構隔開了一段在50nm與100微米(μm)之間的距離之該第一縱向叉指狀換能器。
  9. 一種可調式半導體裝置，包含：一第一摻雜包覆層，位於一個半導體基板上，該第一摻雜包覆層具有一上表面與一下表面，該下表面與該半導體基板接觸；一本質上未摻雜的壓電材料之第一波導層，位於該第一摻雜包覆層之該上表面上，該第一波導層具有一上表面與一下表面，該下表面與該第一摻雜包覆層之該上表面接觸；一活性層，位於該第一波導層之該上表面上，該活性層具有一上表面與一下表面，該下表面與該第一波導層之該上表面接觸；一本質上未摻雜的壓電材料之第二波導層，位於該活性層之該上表面上，該第二波導層具有一上表面與一下表面，該下表面與該活性層之該上表面接觸； 一平行於該半導體裝置之一縱軸線之縱向結構，位於該第二波導層之該上表面上，包含一摻雜的半導體材料；以及一縱向叉指狀換能器(IDT)，形成於該第二波導層之該上表面上或形成於該第一波導層之該下表面上，該IDT朝一平行於該縱軸線之方向縱向地延伸，並因應於一來自一信號產生器之信號而被配置成朝一平行於該縱軸線之方向產生一表面聲波(SAW)。
  10. 如申請專利範圍第9項之可調式半導體裝置，其中：該第二波導層之該上表面上之平行於該半導體裝置之該縱軸線之該縱向結構之該摻雜的半導體材料，係依據一第一摻雜梯度被摻雜，該第一摻雜梯度具有一與如從該第二波導層之該上表面所測量的該縱向結構之一垂直高度成比例的摻雜濃度的增加量；且該縱向叉指狀換能器係形成於該第二波導層之該上表面上，且具有一等於該縱向結構之高度，並包含一依據該第一摻雜梯度被摻雜之摻雜的半導體材料。
  11. 如申請專利範圍第9項之可調式半導體裝置，其中該縱向叉指狀換能器係形成於該第二波導層之該上表面上，並包含一在該第二波導層之該上表面上之縱向叉指梳狀結構。
  12. 如申請專利範圍第10或11項中任一項之可調式半導體裝置，其中該第一縱向叉指狀換能器本質上延伸遍及該活性層之一整個長度，並與該縱向結構隔開。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之可調式半導體裝置，其中該第一縱向叉指狀換能器係與該縱向結構隔開了一段在50nm與100微米(μm)之間的距離。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之可調式半導體裝置，其中該第一縱向叉指狀換能器係被設計成用於在操作期間接收一逆向偏壓DC電壓。
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