TWI769899B - 背面出光之面射型雷射裝置的製作方法與結構 - Google Patents

Abstract

一種背面出光之面射型雷射裝置，包含一基板、一披覆單元，及一發光磊晶結構。該基板由砷化鎵構成且具有一貫穿該基板的開口。該披覆單元形成於該基板，包括一對應該開口並自開口對外裸露的第一批覆區，及一位於第一批覆區以外的第二批覆區。該第二批覆區具有一蝕刻反應層及一保護層，該第一批覆區由該保護層構成。該蝕刻反應層選自含鋁的III-V族半導體化合物，該保護層選自與該蝕刻反應層具有不同蝕刻率的材料。該發光磊晶結構所產生的雷射光可直接自該開口出光，而不會有被基板材料吸收波長的問題產生。此外，本發明還提供該面射型雷射裝置的製作方法。

Description

背面出光之面射型雷射裝置的製作方法與結構

本發明是有關於一種雷射裝置的製作方法與結構，特別是指一種面射型雷射裝置的製作方法與結構。

垂直共振腔面射型雷射裝置(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，下稱VCSEL)為半導體雷射的其中一種，具有低閥值電流、高輸出功率、雷射光束不易發散等優勢而被廣泛的應用於光纖通訊及3D感測器等領域。

VCSEL的基本結構大致包含一基板、形成於該基板上的n型半導體、二設置於該n型半導體上且相互疊置的磊晶反射單元，及一形成於該二磊晶反射單元之間的主動層。其中，該二磊晶反射單元為分散式布拉格反射器(Distrubuted Bragg Reflector，DBR)，並分別作為n型反射器及p型反射器的形式，以該n型反射器鄰近該基板的方向設置於該基板上。

目前來說，業界經常選用砷化鎵(GaAs)作為基板的材料，而有利於在進行磊晶生長的製程中有良好的晶格匹配性。然而，由於砷化鎵會吸收長波長(850nm)的光，因此，當該VCSEL為發出長波長(例如850nm)之雷射光時，該VCSEL的結構就只能選擇正面發光的結構，而無法設計成背面發光結構(亦即朝該基板的方向出光)，因而在產業應用上有所侷限。

因此，本發明的目的，即在提供一種背面出光之面射型雷射裝置的製作方法，以製得有一可用於發出長波長之雷射光的雷射裝置。

於是，本發明背面出光之面射型雷射裝置的製作方法，包含一準備步驟、一第一次蝕刻步驟，及一第二次蝕刻步驟。

該準備步驟是準備一雷射半成品，該雷射半成品具有一由砷化鎵構成的基材，及自該基材的其中一表面依序形成的一蝕刻反應層、一保護層，及至少一個發光磊晶結構，其中，該蝕刻反應層選自含鋁的III-V族半導體化合物，該保護層選自可透光的III-V族半導體化合物，且與該蝕刻反應層具有不同的蝕刻率。

該第一次蝕刻步驟利用一含有六氟化硫及可蝕刻移除該基材之蝕刻氣體的混合氣體移除部分基材結構至該蝕刻反應層，令該六氟化硫與該蝕刻反應層的鋁離子反應形成一由氟化鋁構成並用以終止蝕刻的蝕刻停止層，以形成至少一貫穿該基板並對應該發光磊晶結構的開口。

該第二次蝕刻步驟利用一可移除該蝕刻反應層但不移除該保護層的蝕刻液移除該蝕刻停止層與該蝕刻反應層至令該保護層露出。

此外，本發明的另一目的，即在提供一種可用於發出長波長之雷射光的背面出光之面射型雷射裝置。

於是，本發明背面出光之面射型雷射裝置，包含一基板、一披覆單元，及至少一發光磊晶結構。

該基板由砷化鎵構成，並具有彼此相對的一頂面、一底面，及至少一自該底面貫穿該基板的開口。

該披覆單元形成於該基板的頂面，包括一對應該開口並自該開口對外裸露的第一批覆區，及一位於該第一批覆區以外的第二批覆區，其中，該第二批覆區具有自該基板表面依序向上形成的一蝕刻反應層及一保護層，該蝕刻反應層選自含鋁的III-V族半導體化合物，該保護層可透光，選自III-V族半導體化合物且與該蝕刻反應層具有不同的蝕刻率，且該第一批覆區由該保護層構成。

該發光磊晶結構設置於該保護層反向該基板的另一面並位於該開口上方，且該發光磊晶結構可朝該基板的方向並經由該開口對外出光。

本發明的功效在於：利用於砷化鎵構成的該基板與該發光磊晶結構之間形成可與該蝕刻液反應形成該蝕刻停止層的蝕刻反應層，而得以透過蝕刻方式移除對應位於該發光磊晶結構下方的基板結構以形成該開口，而不會對該發光磊晶結構造成破壞，而可令該發光磊晶結構所產生的雷射光可直接自該開口出光，因此，當為背面出光結構的該面射型雷射裝置發出長波長的雷射光時，不會有被砷化鎵吸收的問題產生。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。且有關本發明之相關技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。此外，要說明的是，本發明圖式僅為表示元件間的結構及/或位置相對關係，與各元件的實際尺寸並不相關。

參閱圖1，本發明背面出光之面射型雷射裝置200，包含一基板2、一披覆單元3，及一發光磊晶結構4。

該基板2由砷化鎵(GaAs)構成，並具有彼此相對的一頂面21、一底面22，及一自該底面22貫穿該基板2的開口23，該開口23為用以供該發光磊晶結構4朝該基板2的方向出光時的一出光區域。

配合參閱圖2，該披覆單元3形成於該基板2的頂面21，包括一對應該開口23並自該開口23對外裸露的第一批覆區31，及一位於該第一批覆區31以外的第二批覆區32。其中，該第二批覆區32具有自該基板2的頂面21依序向上形成的一蝕刻反應層33及一保護層34，該蝕刻反應層33選自含鋁的III-V族半導體化合物，該保護層34選自可透光且不吸收長波長(例如850nm的光波長)的III-V族半導體化合物，且與該蝕刻反應層33具有不同的蝕刻率。該第一批覆區31由該保護層34構成，且可令該發光磊晶結構4發出的光通過。

於本實施例中，該保護層34的材料選自磷化銦鎵(InGaP)，該蝕刻反應層33的材料選自砷化鎵鋁(AlGaAs)。

再參閱圖1，該發光磊晶結構4設置於該保護層34反向該基板2的另一面並位於該開口23上方，且該發光磊晶結構4可朝該基板2的方向並經由該開口23對外出光。

在本實施例中，是以該發光磊晶結構4自該保護層34表面依序向上包括一n型布拉格反射層41、一發光層42、一p型布拉格反射層43，及一用以對外電連接的電極組44為例作說明。其中，該電極組44具有一設置於該n型布拉格反射層41上的N型電極441，及一設置於該p型布拉格反射層43上的P型電極442，且該N型電極441與該P型電極442位於該基板2同一側。

該發光層42形成於該n型布拉格反射層41的部分表面上且對應形成於該開口23的位置，以令該n型布拉格反射層41、該發光層42，及該p型布拉格反射層43共同定義成一可對位於該開口23的雷射發光源。詳細的說，該n型布拉格反射層41及該p型布拉格反射層43各自是由具有兩種不同折射率的薄膜交替堆疊構成，分別設置於該發光層42的相對兩側而可供作為該面射型雷射裝置200的DBR反射器。該發光層42可以選自可被激發出不同波長的半導體材料，特別是，當該發光層42為選自可被激發出長波長(＞800nm)的紅光材料時，更適用於本案之結構。由於該發光磊晶結構4的相關材料選擇與具體結構細節為相關領域者所知悉，因此不再多加贅述。

於本實施例中，該基板2選自砷化鎵，該n型布拉格反射層41及該p型布拉格反射層43是分別由具有至少20對由n型摻雜及p型摻雜的鋁化砷（AlAs）和鋁鎵砷化物（Al _xGa _(1-x)As）的半導體膜層堆疊構成，該發光層42選自可發出波長大於800nm的紅光材料，例如該發光層42可由砷化鎵(GaAs)、鋁鎵砷化物（Al _xGa _(1-x)As）及銦鎵砷化物（In _xGa _(1-x)As）構成。

使用時，自該電極組44導入電流以令該發光層42產生激發光，該激發光在該n型布拉格反射層41及該p型布拉格反射層43之間往復反射，並多次通過該發光層42而使能量放大，以形成一道雷射光並朝該基板2的方向射出，而可自該開口23對外出光。由於該雷射光是經由該開口23出光而不需穿過該基板2，因此，發出的雷射光不會有被該基板2的構成材料所吸收而影響出光效率的問題產生。因此，於本案中，以砷化鎵作為基板2的面射型雷射裝置200，也可用於產生波長約為850nm的雷射光，並以背面出光的形式經由該開口23朝該基板2的方向出光，而不受到該基板2的材料(砷化鎵)影響。

茲將前述該實施例之面射型雷射裝置200的製作方法說明如下：

參閱圖1與3，該面射型雷射裝置200的製作方法依序包含一準備步驟51、一第一次蝕刻步驟52、一第二次蝕刻步驟53，及一切割步驟54。

配合參閱圖4與圖5，該準備步驟51是準備一雷射半成品300，該雷射半成品300具有一由砷化鎵構成的基材20，及自該基材20的其中一表面依序形成的一蝕刻反應層33、一保護層34，及至少一個發光磊晶結構4。

詳細的說，該實施例的雷射半成品300是於該基材20上以沉積方式依序形成該由砷化鎵鋁構成的蝕刻反應層33，及由磷化銦鎵構成的該保護層34，再以磊晶成長的方式於該保護層34表面依序形成20對由n型摻雜的鋁化砷和鋁鎵砷化物堆疊構成的n型布拉格反射層41、由砷化鎵、鋁鎵砷化物及銦鎵砷化物堆疊構成的該發光層42，以及20對由p型摻雜的鋁化砷和鋁鎵砷化物堆疊構成的p型布拉格反射層43，而形成一磊晶結構40。接著，用金屬沉積方式於該磊晶結構40頂面形成多個對應後續預形成之發光磊晶結構4的P型電極442。之後，利用蝕刻方式移除不必要的部分磊晶結構40，而於該n型布拉格反射層41上形成多個彼此間隔的磊晶膜層結構(圖4、5中僅顯示其中一個磊晶膜層結構，且該磊晶膜層結構是由相應的該p型布拉格反射層43及該發光層42所構成)，且每一個磊晶膜層結構的頂面會對應具有其中至少一個該P型電極442。之後，於該n型布拉格反射層41上沉積形成對應該每一個磊晶膜層結構的該等N型電極441，而於該基材20上形成如圖7所示的多個發光磊晶結構4(圖4與圖5中僅顯示其中一個說明)。由於該等發光磊晶結構4的細部結構及各膜層結構的相關製程參數為本技術領域者所習知，且非為本發明之重點，因此，不再多加說明。

配合參閱圖6，接著，進行該第一次蝕刻步驟52，利用一含有六氟化硫及可蝕刻移除該基材20之蝕刻氣體的混合氣體移除部分基材20結構至該蝕刻反應層33，而形成該基板2，且移除的基材結構的位置對應於該第一披覆區31。

具體的說，該第一次蝕刻步驟52是以乾式蝕刻的方式執行，且該混合氣體具有六氟化硫(SF ₆)，及該蝕刻氣體，該蝕刻氣體包括氯氣(Cl ₂)，及三氯化硼(BCl ₃)。蝕刻時，利用該混合氣體移除該基材20對應該等發光磊晶結構4的區域至該蝕刻反應層33，令該混合氣體中的六氟化硫與該蝕刻反應層33表面的鋁離子產生反應，而形成一由氟化鋁(AlF ₃)構成並用以終止蝕刻的蝕刻停止層35，以形成貫穿該基材20並對應該等發光磊晶結構4的開口23。

在本實施例中，該第一次蝕刻步驟52是以該混合氣體的整體流量為100%計，該六氟化硫的流量約為18至22%，該氯氣的流量約為54至66%，該三氯化硼的流量約為18至22%。

續配合參閱圖6，接著，執行該第二次蝕刻步驟53，利用一蝕刻液以濕式蝕刻的方式移除自該等開口23裸露的該蝕刻停止層35及位於該第一披覆區31的該蝕刻反應層33結構至令該保護層34自該開口23露出，以製得該面射型雷射裝置200。該蝕刻液是選自可移除該蝕刻反應層但不移除該保護層的蝕刻液，於一些實施例中，該蝕刻液是選自不含氯的無機酸類，例如檸檬酸(citric acid)或磷酸等，可用以蝕刻該蝕刻反應層33，但不會對該保護層34產生侵蝕的酸性蝕刻液。在本實施例中，該蝕刻液選自磷酸，由於該保護層34可抵抗磷酸而不會被磷酸侵蝕，因此，該保護層34可用以保護等該發光磊晶結構4。圖6僅以對應其中一個發光磊晶結構4形成該開口23為例說明，圖7則是說明於該基材20蝕刻形成多個對應該等發光磊晶結構4的開口23的態樣。

配合參閱圖7(圖7顯示該基板2上形成有多個發光磊晶結構4)，在該第二次蝕刻步驟53之後，即可進行該切割步驟54，沿每一個發光磊晶結構4的外圍進行切割，即可得到多個各自獨立且具有單一發光磊晶結構4的面射型雷射裝置200。

要說明的是，於切割之前也可再進一步進行封裝等製程，以對該等發光磊晶結構4及/或該等電極組44進行保護，或是進行電極位置(例如N型電極441位置)的調整，由於該等製程為本技術領域者所知悉，且可因應需求自行調整，因此，於此不再多加贅述。

此外，在一些實施例中，也可視需求而無須實施該切割步驟54，或是於該準備步驟51中，該雷射半成品300僅具有一發光磊晶結構4，因此無須額外進行切割。

綜上所述，本案背面出光之面射型雷射裝置200的製作方法利用於該基板2對該蝕刻停止層35、該蝕刻反應層33對該保護層34的蝕刻選擇比不為1，而可形成貫穿該基板2的開口23，以令該發光磊晶結構4所產生的雷射光可直接自該開口23出光，因此當為背面出光結構的該面射型雷射裝置200發出長波長的雷射光(例如850nm)時，該雷射光無須穿過該基板2而不會有被基板材料吸收波長的問題產生，故確實可達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

200:面射型雷射裝置

300:雷射半成品

20:基材

2:基板

21:頂面

22:底面

23:開口

3:披覆單元

31:第一披覆區

32:第二披覆區

33:蝕刻反應層

34:保護層

35:蝕刻停止層

4:發光磊晶結構

41:n型布拉格反射層

42:發光層

43:p型布拉格反射層

44:電極組

441:N型電極

442:P型電極

51:準備步驟

52:第一次蝕刻步驟

53:第二次蝕刻步驟

54:切割步驟

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一剖視示意圖，說明本發明背面出光之面射型雷射裝置的一實施例； 圖2是一剖視示意圖，輔助圖1說明該實施例的一披覆單元； 圖3是一流程圖，說明本發明實施例的製作方法； 圖4是一流程示意圖，輔助圖3說明該製作方法的一準備步驟； 圖5是一流程示意圖，延續圖4說明該準備步驟； 圖6是一流程示意圖，輔助圖3說明該製作方法一第一次蝕刻步驟與一第二次蝕刻步驟；及 圖7是一流程示意圖，延續圖6說明該製作方法的一切割步驟。

200:面射型雷射裝置

2:基板

21:頂面

22:底面

23:開口

3:披覆單元

31:第一披覆區

32:第二披覆區

33:蝕刻反應層

34:保護層

4:發光磊晶結構

Claims (9)

1. 一種背面出光之面射型雷射裝置的製作方法，包含： 一準備步驟，準備一雷射半成品，該雷射半成品具有一由砷化鎵構成的基材，及自該基材的其中一表面依序形成的一蝕刻反應層、一保護層，及至少一個發光磊晶結構，其中，該蝕刻反應層選自含鋁的III-V族半導體化合物，該保護層選自可透光的III-V族半導體化合物，且與該蝕刻反應層具有不同的蝕刻率； 一第一次蝕刻步驟，利用一含有六氟化硫及可蝕刻移除該基材之蝕刻氣體的混合氣體移除部分基材結構至該蝕刻反應層，令該六氟化硫與該蝕刻反應層的鋁離子反應形成一由氟化鋁構成並用以終止蝕刻的蝕刻停止層，以形成至少一貫穿該基材並對應該發光磊晶結構的開口；及 一第二次蝕刻步驟，利用一可移除該蝕刻反應層但不移除該保護層的蝕刻液移除該蝕刻停止層與該蝕刻反應層至令該保護層露出。
2. 如請求項1所述的背面出光之面射型雷射裝置的製作方法，其中，該蝕刻氣體包括氯氣，及三氯化硼，該第一次蝕刻步驟，以該混合氣體的整體流量為100%計，該六氟化硫的流量約為18至22%，該氯氣的流量約為54至66%，該三氯化硼的流量約為18至22%。
3. 如請求項1所述的背面出光之面射型雷射裝置的製作方法，其中，該保護層的材料選自磷化銦鎵，該蝕刻反應層的材料選自砷化鎵鋁。
4. 如請求項3所述的背面出光之面射型雷射裝置的製作方法，其中，於該第二次蝕刻步驟，該蝕刻液可選自磷酸或檸檬酸。
5. 如請求項1所述的背面出光之面射型雷射裝置的製作方法，其中，該雷射半成品是於該基材上以沉積方式依序形成該蝕刻反應層、該保護層及該發光磊晶結構後製得。
6. 如請求項1所述的背面出光之面射型雷射裝置的製作方法，其中，該雷射半成品具有多個發光磊晶結構，該第一次蝕刻步驟是在分別對應該等發光磊晶結構的位置進行蝕刻，以形成多個貫穿該基材的開口。
7. 如請求項6所述的背面出光之面射型雷射裝置的製作方法，還包含一實施於該第二次蝕刻步驟之後的切割步驟，沿每一個發光磊晶結構的外圍進行切割，而得到多個各自獨立的面射型雷射裝置。
8. 一種背面出光之面射型雷射裝置，包含： 一基板，由砷化鎵構成，並具有彼此相對的一頂面、一底面，及至少一自該底面貫穿該基板的開口； 一披覆單元，形成於該基板的頂面，包括一對應該開口並自該開口對外裸露的第一批覆區，及一位於該第一批覆區以外的第二批覆區，其中，該第二批覆區具有自該基板表面依序向上形成的一蝕刻反應層及一保護層，該蝕刻反應層選自含鋁的III-V族半導體化合物，該保護層可透光，選自III-V族半導體化合物且與該蝕刻反應層具有不同的蝕刻率，且該第一批覆區由該保護層構成；及 至少一發光磊晶結構，設置於該保護層反向該基板的另一面並位於該開口上方，且該發光磊晶結構可朝該基板的方向並經由該開口對外出光。
9. 如請求項8所述的背面出光之面射型雷射裝置，其中，該保護層的材料選自磷化銦鎵，該蝕刻反應層的材料選自砷化鎵鋁。

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