TWI827578B - 用於雷射應用之多孔分佈式布拉格反射器 - Google Patents

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安德魯 克拉克
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Abstract

本文所述的實施例提供一種層狀結構，其包含：包含第一孔隙率的第一多孔多層之基板、磊晶生長在第一多孔多層上方之主動量子井覆蓋層、以及在主動量子井覆蓋層上方的第一孔隙率之第二多孔多層，其中，第二多孔多層對準第一多孔多層。

Description

用於雷射應用之多孔分佈式布拉格反射器 相關申請案之交互參照
本申請案主張於2018年01月18日提交之美國臨時申請案62/618,985號之優先權效益。前述的申請案及先提交的申請案以其完整內容於此併入作為參考。
本申請案係有關於在半導體裝置內的基底基板上形成分佈式布拉格反射器(distributed Bragg reflector，DBR)。
由於層的週期性地變化的折射率(refractive index)，所以傳統的垂直腔式表面發光雷射(vertical-cavity surface-emitting lasers，VCSEL)利用III-V多層(諸如，AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs，0
Figure 108102069-A0305-02-0003-1
x,y
Figure 108102069-A0305-02-0003-2
1，當x=0、y=1時，其為GaAs/AlAs)來作為DBR以穿過雷射光線。
然而，因為磊晶GaAs DBR需要的磊晶層的總量大，所以它們的生產通常為昂貴的，且可誘導在最終磊晶堆疊內的不想要的應力效應(strain effect)。經誘導的缺陷可能限制裝置之壽命並導致裝置之產量損失。此外，傳統的磊晶DBR經常受限於允許相同波長穿過橫越(across)整個基板。
本文所述的實施例提供一種層狀結構，其包含：包含第一孔隙率(porosity)的第一多孔多層(porous multilayer)之基板、磊晶生長(epitaxially grown)在第一多孔多層上方(over)之主動量子井覆蓋層(active quantum well capping layer)、以及在主動量子井覆蓋層上方的第一孔隙率之第二多孔多層，其中，第二多孔多層對準(aligns)第一多孔多層。
在一實施例中，基板由鍺(germanium)或砷化鎵(gallium arsenide)所組成。
在一實施例中，第一多孔多層、對準第一多孔多層的主動量子井覆蓋層的至少第一部分、以及第二多孔多層的堆疊允許處於(at)第一波長的第一光波穿過(pass through)堆疊。
在一情況中，層狀結構進一步包含：生長於基板上方且介於第一多孔多層及主動量子井覆蓋層之間的第一磊晶分佈式布拉格反射器多層(first epitaxial distributed Bragg reflector multilayer)。在此情況中，第一磊晶分佈式布拉格反射器多層的第一反射率不同於第二磊晶分佈式布拉格反射器多層的第二反射率。如此一來，第一多孔多層、第一磊晶分佈式布拉格反射器多層、以及第二磊晶分佈式布拉格反射器多層允許處於第一波長的第一光波穿過堆疊。
在一實施例中，層狀結構之第一多孔多層及第二多孔多層進一步對準在主動量子井覆蓋層上的第一區域，並且基板包含第三多孔多層。在此實施例中，層狀結構進一步包含具有在主動量子井覆蓋層上方的 第二孔隙率之第四多孔多層，第二多孔多層及第四多孔多層為生長在主動量子井覆蓋層上方之塊狀層的多孔部分，並且第三多孔多層及第四多孔多層對準在主動量子井覆蓋層上的第二區域。
進一步地在此實施例中，第一多孔多層及第三多孔多層可具有不同的尺寸或不同的孔隙率。第二多孔多層及第四多孔多層可亦具有不同的尺寸或不同的孔隙率。
更進一步地在此實施例中，第一多孔多層、主動量子井覆蓋層的至少第一區域、以及第二多孔多層形成第一VCSEL，所述第一VCSEL允許處於第一波長的第一光波穿過。額外地，第三多孔多層、主動量子井覆蓋層的至少第二區域、以及第四多孔多層可形成第二VCSEL，所述第二VCSEL允許處於第二波長的第二光波穿過。
更進一步地在此實施例中，層狀結構可進一步包含：整體化到介於第二多孔多層及第四多孔多層之間的空間之塊狀晶圓內的假晶性高電子遷移率電晶體(pseudomorphic high-electron-mobility transistor)或異質接面雙極性電晶體(heterojunction bipolar transistor)。
更進一步地在此實施例中，第二多孔多層及第四多孔多層可具有相同的孔隙率並且可彼此連接成在塊狀晶圓內的連續的多孔多層。
在上述第二多孔多層及第四多孔多層具有相同的孔隙率且彼此連接的實施例中，層狀結構可進一步包含：整體化到介於第一多孔多層及第三多孔多層之間的空間之基板處之正-本-負二極體(pin diode)。
在上述層狀結構進一步包含正-本-負二極體之實施例中，連續的多孔多層可包含對準於正-本-負二極體之第五多孔多層，並且第五多孔 多層可具有第三孔隙率，其允許第五多孔多層反射從主動量子井覆蓋層發射的處於第一波長的第一光波至正-本-負二極體的方向。
在上述層狀結構進一步包含第五多孔多層之實施例中，層狀結構可進一步包含最靠近於正-本-負二極體的第六多孔多層。第六多孔多層可被配置成允許處於第一波長的第一光波穿過以到達正-本-負二極體。
更進一步地在此實施例中，至少一個垂直的多孔多層之厚度及孔隙率可被選擇以形成多孔過濾器(filter)，其允許處於第三波長的第三光波穿過來自多個(multiple)VCSEL中的二個相鄰的VCSEL之間。
更進一步地在此實施例中，至少一個垂直的多孔多層之厚度及孔隙率被選擇以形成多孔隔離物(isolation)，其不允許光波穿過來自多個VCSEL中的兩個相鄰的VCSEL之間。
在一情況中，層狀結構的第二多孔多層為生長在主動量子井覆蓋層上方之塊狀層的多孔部分。在此情況中，塊狀層可具有複數個空間上分佈的多孔多層，其中來自複數個的每一個多孔多層具有經選擇以產生個別的多孔多層之特定反射率之孔隙率，以允許處於特定波長的光波穿過。
在一實施例中，層狀結構進一步包含：垂直於(perpendicular)且橫越(across)第一多孔多層、主動量子井覆蓋層及第二多孔多層的一或多個垂直的多孔多層。在此實施例中，一或多個多孔多層可分隔第一多孔多層、主動量子井覆蓋層及第二多孔多層的堆疊以形成多個VCSEL(multiple VCSEL)。
在另一實施例中，層狀結構包含：基板、生長在基板上方之第一磊晶分佈式布拉格反射器多層、磊晶生長在第一磊晶分佈式布拉格反射器多層上方之主動量子井覆蓋層、以及由與基板相同的材料所組成之多孔多層。多孔多層可在主動量子井覆蓋層上方。
在一實施例中，上述包含第一磊晶分佈式布拉格反射器多層之層狀結構包含生長在主動量子井上方以及在主動量子井及多孔多層之間之第二磊晶分佈式布拉格反射器多層。在此實施例中，第一磊晶分佈式布拉格反射器多層的第一反射率不同於第二磊晶分佈式布拉格反射器多層的第二反射率。如此一來，多孔多層、第一磊晶分佈式布拉格反射器多層、以及第二磊晶分佈式布拉格反射器多層的堆疊允許處於第一波長的第一光波穿過堆疊。
在另一實施例中，環形層狀結構包含：環形基板、徑向地(radially)在環形基板下方之第一徑向多孔分佈式布拉格反射器多層、徑向地在第一徑向多孔分佈式布拉格反射器多層下方之環形主動量子井覆蓋層、以及徑向地在環形主動量子井覆蓋層下方之第二徑向多孔分佈式布拉格反射器多層。
在環形層狀結構的一實施例中，第一徑向多孔分佈式布拉格反射器多層具有與第二徑向多孔分佈式布拉格反射器多層相同的徑向孔隙率。
在環形層狀結構的一實施例中，第一徑向多孔分佈式布拉格反射器多層、環形主動量子井覆蓋層及第二徑向多孔分佈式布拉格反射器多層形成聚焦式VSCEL，所述聚焦式VSCEL允許處於第一波長的第一光波穿過。
100、200、300、400、500、800a、800b:製程
102、104、120、402、502、808:基板
106、406、706:主動量子井覆蓋層
108、116、404、408、410、412、708:多孔多層
112:磊晶層
114、306、700、701:層狀結構
202、204、304、702、704:磊晶多層
302、602:步驟
504:晶圓
506、508、510、512、514:多孔區域
604:電路
606:連接器
710:正-本-負二極體
712、713、810a、810b、810c、810d、810e、810f、810g、810h:多孔部分
804、806:垂直部分
900:環形結構
902:環形基板
904:徑向多孔DBR
在結合附圖之以下詳細說明之理解後，本揭露的進一步特徵、其性質及各種優點將為顯而易見，其中：第1圖顯示根據說明性實施例描繪以用於DBR的多孔多層製程生長層狀結構的製程的示例圖式；第2圖顯示根據說明性實施例描繪以用於DBR的在多孔多層上方的磊晶層製程生長層狀結構的製程的示例圖式；第3圖顯示根據說明性實施例描繪以用於DBR的在磊晶層上方的多孔多層製程生長層狀結構的製程的示例圖式；第4圖顯示根據說明性實施例描繪包含在單一基板上的兩個空間上分離的(spatially separated)VCSEL的層狀結構的示例圖式；第5圖顯示根據說明性實施例描繪包含在單一基板上的兩個VCSEL之層狀結構以形成二維矩陣的示例圖式；第6圖顯示根據說明性實施例描繪整體化至(integrated into)第2圖所述的層狀結構的異質接面雙極性電晶體(heterojunction bipolar transistor)的示例圖式；第7a圖顯示根據說明性實施例描繪整體化在單一基板上的包含兩個VCSEL的層狀結構內的正-本-負二極體(pin diode)之示例圖式；第7b圖顯示根據說明性實施例描繪整體化在單一基板上的包含兩個VCSEL的層狀結構內的正-本-負二極體之示例圖式； 第8a圖顯示根據說明性實施例描繪以用於DBR的多孔多層製程生成(create)在層狀結構上方的垂直DBR的製程的示例圖式；第8b圖顯示根據說明性實施例描繪以用於DBR的在多孔多層製程生成層狀結構上方的垂直DBR的製程的示例圖式；以及第9圖顯示根據說明性實施例描繪包含徑向多孔(radial porous)DBR的聚焦式(focused)VCSEL的示例圖式。
本文所述的結構及方法提供藉由多孔結構形成的DBR至基板。舉例而言，本文所述的結構個別在基底Ge、GaAs或InP基板內生長多孔鍺(germanium，Ge)、砷化鎵(gallium arsenide，GaAs)或磷化銦(indium phosphide，InP)多層，以形成DBR。傳統上，因為磊晶DBR需要大的磊晶層總量，所以磊晶DBR經常產生厚的磊晶堆疊(stack)。在基板上藉由使用多孔多層形成DBR，與在基板內誘導應力的大的磊晶DBR層的總量相比，可顯著減小最終磊晶堆疊的厚度。特定地，多孔結構可選擇性地生長在相同基板內具有不同孔隙率的不同空間上分離的部分。如此一來，多孔結構的不同部分可在相同基板上形成不同的空間上分離的DBR，並且因此可允許雷射光線之不同的波長穿過。
值得注意的是，第1圖到第9圖顯示僅用於說明性目的之Ge或GaAs基板。在第1圖到第7圖中所述之含有多孔層的結構可被應用於磊晶基板，例如III-V半導體(諸如AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs，0
Figure 108102069-A0305-02-0009-3
x，y
Figure 108102069-A0305-02-0009-4
1，當x=0，y=1時，其為GaAs/AlAs，InxGa1-xAs，0
Figure 108102069-A0305-02-0009-5
x
Figure 108102069-A0305-02-0009-6
1)及/或其類似物。
第1圖顯示根據說明性實施例描繪以用於DBR的多孔多層製程(process)生長層狀結構的製程的示例圖式。製程100藉由選擇基板104於102處開始。在106，基板的一部分被修飾(modified)為在基板104內的第一孔隙率之多孔部分108。舉例而言，多孔部分108係藉由暴露基板104的範圍(area)於酸性電流而被產生，使得基板104的範圍被蝕刻以形成多孔部分108。可藉由控制酸性電流的濃度及/或流體速度來配置(configured)第一孔隙率。在110，一或多個磊晶層112磊晶生長在多孔多層108上方，其中磊晶層112可限制(confine)主動量子井蓋(cap)。在114，具有與多孔多層108相同之孔隙率的另一個多孔多層116在支撐層112上方生成。第二多孔多層116與多孔多層108對準以生成VCSEL。
如第4圖所示，在第1圖中所述的製程100可在基板104的不同空間分離部分重複，以形成在相同基板104上的不同區域具有不同孔隙率之不同DBR堆疊。不同的孔隙率允許基板同時作為用於多個波長的波長鏡(mirror)。如進一步在第6圖至第7圖，所形成的不同的DBR堆疊/VCSEL亦允許在空間分離的DBR之間的單一基板104上不同的裝置之整體化。
第2圖顯示根據說明性實施例描繪以用於DBR的在多孔多層上方的磊晶層製程生長層狀結構的製程的示例圖式。在第2圖中的製程200可相似於第1圖中的製程100直到106，其中基板具有在基板104的一部分中的多孔多層108。在120，第一磊晶DBR 204生長在多孔多層108上方，量子層112所需的主動量子井蓋及周圍層磊晶生長在第一磊晶DBR 204上方，並且第二磊晶多層DBR 202生長在主動量子井及周圍層112上方。在一些實施例中，多孔多層DBR 108的多孔反射率可與第一磊晶DBR204的磊晶反射率組合，以形成啁啾(chirped)磊晶鏡以設計反射率。舉例而言，在一些實施例中，經形成的VCSEL的多孔多 層108及磊晶多層204及202在相同波長下操作，並且允許對應於第一組波長的第一組光波，以穿過在120形成的VCSEL且反射第二組波長的第二組光波。在一些實施例中，經形成的VCSEL的多孔多層108及磊晶多層204及202可在不同的波長下操作。
第3圖顯示根據說明性實施例描繪以用於DBR的在磊晶層上方的多孔多層製程生長層狀結構的製程的示例圖式。在第3圖中的製程300以相同基板104開始。在302，磊晶多層DBR 304生長在基板104上方，量子層112所需的主動量子井蓋及周圍層磊晶生長在磊晶多層DBR 304上方。在306，多孔多層116被形成在主動量子井支撐層112上方。在一些實施例中，在步驟302之後，第二組磊晶多層DBR可生長在主動量子井覆蓋層112上方，以生成在306處的層狀結構的上部之磊晶鏡，其相似於在第2圖中在步驟120形成的啁啾磊晶鏡，但是具有磊晶DBR的不同的組分或者在主動量子井蓋的下方或上方的多孔DBR。
第4圖顯示根據說明性實施例描繪層狀結構的示例圖式。第4圖的層狀結構400建立在基板402上。基板402可相似於第1圖到第3圖中所述之基板120。在第1圖中所述之製程100可用來在基板402的不同區域形成DBR堆疊/VSCEL，諸如具有不同的孔隙率之多孔多層的不同的空間上分離部分(諸如參見404、410)可被形成在相同基板402上，接著生長在多孔GaAs/Ge多層404及410的所有不同的部分上方之單一主動量子井覆蓋層及量子層406所需要的約束層(confining layer)。在主動量子井覆蓋層406的頂部上，形成多孔多層408及412之額外的部分。特定地，多孔多層408及412之額外的部分被形成以個別與多孔部分404及410對準，且具有相同的孔隙率。所以，如在第4圖所示，多個VCSEL可形成在相同基板402上，諸如VCSEL1及VCSEL2。注意的是，僅為了說明性目的， 僅兩個VCSEL顯示於第4圖。多個空間上分離的VCSEL(多於兩個)可以如上述相似的方式形成在相同基板402上。
VCSEL1描繪包含在基板402上方具有第一孔隙率之第一多孔GaAs多層404的基板402上方的第一層狀結構、在第一多孔GaAs多層104上方磊晶生長的主動量子井覆蓋層406、具有相同的第一孔隙率且在主動量子井覆蓋層406上方與多孔GaAs多層404對準之第二多孔GaAs多層408。
VCSEL2描繪在基板102上方具有第二孔隙率之第三多孔GaAs多層410、在第三多孔GaAs多層410上方磊晶生長的主動量子井覆蓋層406、具有相同的第二孔隙率且在主動量子井覆蓋層106上方與第二多孔GaAs多層410對準之第四多孔GaAs多層112。
藉由在相同基板402上生成具有不同的第一及第二孔隙率的多孔多層，被配置成在不同波長下操作的VCSEL可整體化在單一基板上。因此，在相同基板上經整體化的VCSEL可產生寬的光學阻帶(stopband)，並在相同基板402上提供多個波長鏡。
第5圖顯示根據說明性實施例描繪包含在單一基板上的多個VCSEL之層狀結構以形成一維及/或二維矩陣的實施例。層狀結構500顯示基板及磊晶VCSEL502，其中磊晶DBR、主動量子井蓋及約束層磊晶生長。在502以上，生長了形成多孔DBR的單一塊狀晶圓(bulk wafer)504，其中可形成不同的孔隙率的空間上分離的多孔DBR，諸如，在部分506、508、510、512及514處。舉例而言，多孔區域506具有第一孔隙率，多孔區域508具有第二孔隙率，多孔區域510具有第三孔隙率，多孔區域512具有第四孔隙率，並且多孔區域514具有第五孔隙率。在一些實施例中，橫越單一晶圓504生產不同量的孔隙率的製程有效 地生成一維或二維矩陣。在一些實施例中，如在第3圖到第4圖中所述，在基板502處的磊晶VCSEL可包含具有磊晶組件(component)的DBR。在一些實施例中，藉由與在基板502中的磊晶DBR相位(phase)以及異相(out of phase)的部分以壓制(suppress)VCSEL，藉由多孔區域506、508、510、512或514形成的多孔DBR可形成VCSEL。
第6圖顯示根據說明性實施例描繪經由電晶體使半導體裝置與在第4圖所述之層狀結構400的整體化的示例圖式。層狀結構602包含形成在相同基板402上的兩個VCSEL，VCSEL1及VCSEL2相似於在第4圖中的層狀結構400。額外地，第6圖顯示整體化在結構602中的假晶性高電子遷移率電晶體(pseudomorphic high-electron-mobility transistor，pHEMT)或異質接面雙極性電晶體(HBT)304。在一些實施例中，在主動量子井406以上的層可為為了形成空間上分離的多孔DBR408及412之目的生長的單一塊狀晶圓，並且pHEMT/HBT可整體化於在介於空間上分離的DBR408及412之間的可用空間之單一塊狀晶圓上。如此一來，pHEMT/HBT裝置可直接整體化到VCSEL的層狀結構中，而不是作為外部裝置被加入。使用具有經整體化的pHEMT或HBT裝置之結構602可形成示例電路604。舉例而言，經由如顯示於電路604中的連接器606，HBT的汲極端子與VCSEL1及VCSEL2連接。
第7a圖顯示根據說明性實施例描繪整體化於具有形成在相同基板上的兩個VCSEL之層狀結構內的正-本-負二極體之示例圖式。層狀結構700包含形成在相同基板上的兩個VCSEL，VCSEL1及VCSEL2。特定地，兩個VCSEL由具有相同的孔隙率的多孔多層形成，並且因此被配置為在相同的波長下操作。VCSEL1及VCSEL2的孔隙率幫助生成相矩陣(phased array)。舉例而言， VCSEL 1藉由在基板402上的第一層狀結構形成，其包含在基板402上方具有第一孔隙率的第一多孔多層702、在第一多孔多層702上方磊晶生長的主動量子井覆蓋層706的第一部分、在主動量子井覆蓋層706上方生長的磊晶DBR 704的第一部分。VCSEL2藉由在基板402上方具有第二孔隙率的第二多孔多層708、在第二多孔多層708上方磊晶生長的相同主動量子井覆蓋層706之第二部分、在主動量子井覆蓋層706上方生長的磊晶DBR704的第二部分所形成。在個別的示例中，當選擇具有相同的孔隙率之多孔多層或部分702、708及704，經形成的VCSEL在相同波長下操作。在一些實施例中，多孔多層或部分702及708可具有不同的孔隙率，並且經形成的VCSEL可在不同波長下操作。
額外地，第7a圖顯示在結構700內整體化的正-本-負二極體710。舉例而言，正-本-負二極體710整體化在介於空間上分離的多孔部分702及708之間的可用空間之基板402。正-本-負二極體710可用於VCSEL的電源控制。
第7b圖顯示根據說明性實施例描繪整體化於相似於第7a圖的層狀結構的正-本-負二極體，但是具有在基板內的額外的多孔結構以控制二極體的光線反射的示例圖式。層狀結構701相似於在主動量子井覆蓋層706以下的具有多孔DBR 702及708的層狀結構700及在主動量子井覆蓋層706以上的磊晶DBR。在一些實施例中，當在主動量子井覆蓋層706上方的磊晶的DBR 704為連續時，藉由主動量子井706發射的光線將從所述DBR704反射，並且然後撞擊在整體化到基板402中的二極體710上。在一些實施例中，額外的多孔部分712可形成在最靠近二極體710處以當作對於二極體710的傳輸濾波器(transmission filter)，諸如基於多孔部分712的孔隙率之等級(level)，多孔部分712可允許僅某些波長穿過二極體710。在顯示於第7a圖的個別示例中，多孔部分712可配置成具 有孔隙率以穿過相同波長λ1，並且因此可達到在波長λ1的零反射率之裝置。 在一些實施例中，磊晶DBR 704的部分可使用上述多孔製程來修飾以形成多孔部分713，其可與正-本-負二極體710整體化的位置實質上(substantially)對準，使得多孔部分713被放置在反射從量子井蓋706發射的光波到二極體710之位置。具體地，可控制多孔部分713的孔隙率以產生反射率特性，以匹配(match)正-本-負二極體710的反射特性。如此一來，多孔部分713可對從主動量子井706發射的波長λ1之光波更敏感(responsive)，並且然後經反射的光波可穿過多孔結構712，以到達正-本-負二極體710。
如在第6圖到第7圖所示，當形成空間上分離的DBR，例如HBT或二極體的額外裝置可直接整體化到VCSEL的基板，而不是使額外的裝置作為外部裝置加入到VCSEL。如此一來，電路面積可更有效率地消耗。
第8A圖顯示根據說明性實施例描繪經由多孔多層製程生成橫截面DBR的製程的示例圖式。在第8A圖中的製程800a以經由如在第1圖描繪之相似的製程100生成的層狀結構114開始。層狀結構114為包含在基板104上方的第一多孔部分108及生長在第一多孔部分108上方的磊晶主動量子井層112上方的第二多孔部分116之VCSEL。在802，VCSEL 114的第一垂直部分(諸如，垂直磊晶的DBR)804及第二垂直部分(諸如，垂直磊晶的DBR)806被形成以橫越多孔DBR 108及116。如此一來，原本連續的多孔DBR 108及116被中斷，並且藉由垂直DBR 804及806分開，以個別形成不同孔隙率的不同多孔部分。在一些實施例中，諸如第一垂直部分804及第二垂直部分806之垂直多孔製程不取決於在基板104上方的第一多孔部分108及生長在第一多孔部分108上方之在磊晶主動量子井層112上方的第二多孔部分116的存在。
第8B圖顯示根據說明性實施例描繪經由多孔多層製程生成橫截面DBR的製程的示例圖式。製程800b以基板及VCSEL 810開始於808，諸如VCSEL可為相似於貫徹第1圖到第7B圖所述的那些。在一些實施例中，基板808可不含有VCSEL。在812，基板810的各種部分被修飾以形成垂直的多孔部分，諸如參見分離在基板上的範圍的810a到810h，以個別使得生產清楚定義的VCSEL V1到VCSEL V7。具體地，如藉由在810的條紋(bars)的各種示例寬度及分佈的描繪，可選擇多孔部分810a到810h的孔隙率以達到不同的功能。舉例而言，可選擇多孔部分的孔隙率以阻擋一或多個波長，以使得在個別的多孔區域的不同側上分離VCSEL，諸如參見810d到810h。就另一示例而言，可選擇基板808的垂直的多孔部分之孔隙率以形成多孔過濾器，諸如810a到810c。多孔過濾器可由不同厚度及不同的孔隙率組成，以生成不同的多孔過濾器，其基於組合物808及多孔過濾器的組合可穿過某些光線的波長。在一些實施例中，多孔過濾器(諸如810a到810c)及多孔隔離(isolation)區域(諸如810d到810h)之組合可一起用於在相鄰的VCSELS之間，以允許光學混合的一些等級。
第9圖顯示根據說明性實施例描繪包含徑向孔隙率DBR的聚焦式VCSEL之示例圖式。環形結構900描繪環形基板902。環形結構900包含徑向多孔DBR 904、徑向量子井蓋、額外的徑向DBR(諸如，如在第2圖到第3圖中所述，但是以徑向形式的多孔或磊晶、或兩者的組合)在環形基板902內以形成聚焦式VCSEL。
值得注意的是，顯示在第1圖到第9圖的多孔DBR可包含相同厚度及孔隙率的多孔層。在一些實施例中，可能的是，可通過DBR區域改變多孔層的厚度及孔隙率之兩者，從而生成更複雜的反射光譜。
本文所述之生長及/或沉積可使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、金屬有機化學氣相沉積(metalorganic chemical vapor deposition，MOCVD)、有機金屬氣相磊晶(organometallic vapor phase epitaxy，OMVPE)、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、分子束磊晶(molecular beam epitaxy，MBE)、鹵化物氣相磊晶(halide vapor phase epitaxy，HVPE)、脈衝雷射沉積(pulsed laser deposition，PLD)及/或物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)中的一或多種來進行。
如本文所述，層意指遮蓋表面的材料的實質上均勻的厚度。層可為連續的或不連續的(即，在材料的區域之間具有間隙)。舉例而言，層可完全或部分地遮蓋表面，或者為共同定義一層的被分割成離散的區域(即，使用選擇性範圍磊晶形成的區域)。
單片整體化(monolithically-integrated)意指在基板的表面上形成，典型地藉由沉積設置(disposed)在表面上的層。
設置上(disposed on)意指「存在(exists on)」底層材料或層之上。所述的層可包含必須確保為合適表面的中間層，例如過渡層。舉例而言，如果材料被描述為「設置在基板上(disposed on a substrate)」，這可意指(1)材料與基板緊密接觸；或(2)材料與位於基板上的一或多個過渡層接觸。
單晶意指實質上僅包含一個種類的單位晶格(unit-cell)的結晶結構。然而，單晶層可能呈現一些結晶缺陷，例如堆疊缺陷(stacking fault)、位錯(dislocation)或其他經常發生的結晶缺陷。
單疇(single-domain)意指實質上僅包含單位晶格的一種結構，並且實質上僅有所述單位晶格的一種定向(orientation)的結晶結構。換句話說，單疇結晶不呈現雙晶(twinning)或反相疇(anti-phase domain)。
單相(single-phase)意指為單晶且單疇之兩者的結晶結構。
基板意指在其上形成沉積層的材料。示例性基板包含但但不限於：塊狀矽晶圓，其中晶圓包含單晶矽的均質的厚度；複合晶圓，例如絕緣體上矽晶圓(silicon-on-insulator wafer)，其包含設置在塊狀矽處理晶圓(bulk silicon handle wafer)上的二氧化矽的層設置在上之矽的層；或者作為在其上或在其中形成裝置之基底層的任何其他材料。作為應用的功能，適合於作為基板層及塊狀基板的此其他材料之示例包含但不限於鍺、氧化鋁(alumina)、砷化鎵(gallium-arsenide)、磷化銦(indium-phosphide)、矽(silica)、二氧化矽(silicon dioxide)、硼矽酸鹽玻璃(borosilicate glass)、派熱克斯玻璃(pyrex)及藍寶石(sapphire)。基板可具有單一塊狀晶圓或多個子層(sub-layer)。具體地，基板可包含多個不連續的多孔部分。多個非連續多孔部分可具有不同的密度及為水平地分佈或垂直地分層。
錯切(miscut)基板意指包含表面結晶結構的基板，所述表面晶體結構與基板的結晶結構相關的角度定向。舉例而言，6°錯切<100>矽晶圓包含<100>矽晶圓，其藉由朝向另一主要結晶定向(諸如<110>)6°，已經以與<100>結晶定向成切割一角度。典型地，但不必需，錯切將達到約20°。除非具體標註，否則用語「錯切基板(miscut substrate)」包含具有任何主要結晶定向的錯切晶圓。也就是說，<111>晶圓朝向<011>方向的錯切、<100>晶圓朝向<110>方向的錯切、以及<011>晶圓朝向<001>方向的錯切。
半導體是指具有介於絕緣體及大多數金屬之間的導電性之任何固體基板。示例半導體層由矽組成。半導體層可包含單一塊狀晶圓或多個子層。具體地，矽半導體層可包含多個不連續的多孔部分。多個非連續多孔部分可具有不同的密度，並且可水平地分佈或垂直地分層。
絕緣體上半導體(semiconductor-on-insulator)意指包含單晶半導體層、單相介電層及基板的組合物，其中介電層插入介於半導體層及基板之間。所述結構聯想到先前技術的絕緣體上矽(SOI)組合物，其典型地包含單晶矽基板、非單相介電層(諸如，非晶形二氧化矽等)及單晶矽半導體層。在先前技術SOI晶圓及本發明的絕緣體上半導體組合物之間的幾個重要區別為：
絕緣體上半導體組合物包含具有單相形態的介電層，而SOI晶圓則不包含。實際上，典型SOI晶圓的絕緣層甚至不為單晶。
絕緣體上半導體組合物包含矽、鍺或矽-鍺「主動(active)」層，而先前技術的SOI晶圓使用矽主動層。換句話說，示例性絕緣體上半導體組合物包含但不限於：絕緣體上矽(silicon-on-insulator)、絕緣體上鍺(germanium-on-insulator)及絕緣體上矽-鍺(silicon-germanium-on-insulator)。
在本文中描述及/或描繪為「配置在(configured on)」第二層、在第二層「上(on)」或「上方(over)」的第一層可緊鄰第二層，或者一或多個中間層可介於第一層及第二層之間。在本文中描述及/或描繪為在第二層或基板「直接在上(directly on)」或「直接在上方(directly over)」的第一層緊鄰第二層或基板而不存在中間層，除了可能的可由於第一層與第二層或基板的混合而形成之中間合金層之外。額外地，在本文中描述及/或描繪為在第二層或基板「上(on)」、 「上方(over)」或「直接在上(directly on)」或「直接在上方(directly over)」的第一層可遮蓋整個第二層或基板，或者遮蓋第二層或基板的一部分。
在層生長期間放置基板在基板支架上，並且因頂表面或上表面為離基板支架最遠的基板或層的表面，而底表面或下表面為基板的表面或最靠近基板支架的層。本文描繪及所述的任何結構可為較大結構的一部分具有在描繪的那些之上及/或之下之額外的層。為了清楚起見，雖然這些額外的層可為揭露的結構之一部分，本文的圖式可省略這些額外的層。額外地，描繪的結構可以單元重複，即使這些重複未描繪在圖式中。
從以上描述中顯而易見的是，在不脫離本揭露的範疇的情況下，可使用各種技術來實現本文所述的概念。所述的實施例在所有方面都被認為是說明性的而非限制性的。亦應理解的是，本文所述的技術及結構不限於本文所述的具體示例，而是可在不脫離本揭露的範圍的情況下以其他示例實現。相似地，雖然在圖式中以特定順序描繪操作，但是這不應被理解為要求以所示的特定順序或按順序執行這些操作，或者執行所有說明性的操作，以達到想要的結果。
100:製程
102、104:基板
106:主動量子井覆蓋層
108、116:多孔多層
112:磊晶層
114:層狀結構

Claims (21)

  1. 一種層狀結構，其包含：一基板，包含具有一第一孔隙率的一第一多孔多層，其中該基板為單一基底材料；一主動量子井覆蓋層，磊晶生長在該第一多孔多層上方；一第二多孔多層，具有該第一孔隙率，且在該主動量子井覆蓋層上方；其中，該第二多孔多層對準該第一多孔多層；以及其中，該第一多孔多層於該基板中形成一第一多孔分布式布拉格反射器。
  2. 如請求項1所述之層狀結構，其中，該基板由鍺或砷化鎵所組成。
  3. 如請求項1所述之層狀結構，其中該第一多孔多層、對準該第一多孔多層的該主動量子井覆蓋層的至少一第一部分、以及該第二多孔多層的一堆疊允許處於一第一波長的一第一光波穿過該堆疊。
  4. 如請求項1所述之層狀結構，其進一步包含：一第一磊晶分佈式布拉格反射器多層，生長於該基板上方，且介於該第一多孔多層及該主動量子井覆蓋層之間；其中，該第二多孔多層包含在該主動量子井覆蓋層上方的一第二磊晶分佈式布拉格反射器多層；以及其中，該第一磊晶分佈式布拉格反射器多層的一第一反射率不同於該第二磊晶分佈式布拉格反射器多層的一第二反射率，從而造成該第一多孔 多層、該第一磊晶分佈式布拉格反射器多層及該第二磊晶分佈式布拉格反射器多層的一堆疊允許處於一第一波長的一第一光波穿過該堆疊。
  5. 如請求項1所述之層狀結構，其中該第一多孔多層及該第二多孔多層對準在該主動量子井覆蓋層上的一第一區域，並且該基板包含一第三多孔多層，以及其中，該層狀結構進一步包含：一第四多孔多層，具有在該主動量子井覆蓋層上方的一第二孔隙率；其中，該第二多孔多層及該第四多孔多層為生長在該主動量子井覆蓋層上方之一塊狀層的多孔部分；以及其中，該第三多孔多層及該第四多孔多層對準在該主動量子井覆蓋層上的一第二區域。
  6. 如請求項5所述之層狀結構，其中該第一多孔多層及該第三多孔多層具有不同的尺寸或不同的孔隙率，以及該第二多孔多層及該第四多孔多層具有不同的尺寸或不同的孔隙率。
  7. 如請求項5所述之層狀結構，其中，該第一多孔多層、該主動量子井覆蓋層的至少該第一區域、以及該第二多孔多層形成一第一VCSEL，該第一VCSEL允許處於一第一波長的一第一光波穿過，並且該第三多孔多層、該主動量子井覆蓋層的至少該第二區域、以及該第四多孔多層形成一第二VCSEL，該第二VCSEL允許處於一第二波長的一第二光波穿過。
  8. 如請求項1所述之層狀結構，其中，該第二多孔多層為生長在該主動量子井覆蓋層上方的一塊狀層之多孔部分；以及 其中，該塊狀層具有複數個空間上分佈的多孔多層，來自該複數個空間上分佈的多孔多層中的每一個多孔多層具有經選擇以產生各該個多孔多層的一特定的反射率之孔隙率以允許處於一特定的波長的光波穿過。
  9. 如請求項5所述之層狀結構，其進一步包含：一假晶性高電子遷移率電晶體或一異質接面雙極性電晶體，整體化到介於該第二多孔多層及該第四多孔多層之間的一空間之一塊狀層內。
  10. 如請求項5所述之層狀結構，其中該第二多孔多層及該第四多孔多層具有相同的孔隙率並且彼此連接成在該塊狀層內的一連續的多孔多層。
  11. 如請求項10所述之層狀結構，其進一步包含：一正-本-負二極體，整體化到介於該第一多孔多層及該第三多孔多層之間的一空間之該基板處。
  12. 如請求項11所述之層狀結構，其中該連續的多孔多層包含對準於該正-本-負二極體之一第五多孔多層，並且該第五多孔多層具有一第三孔隙率，其允許該第五多孔多層反射從該主動量子井覆蓋層發射的處於一第一波長的一第一光波至該正-本-負二極體的一方向。
  13. 如請求項12所述之層狀結構，其中該基板包含最靠近於該正-本-負二極體的一第六多孔多層，並且該第六多孔多層配置以允許處於一第一波長的一第一光波穿過以到達該正-本-負二極體。
  14. 如請求項1所述之層狀結構，其進一步包含：一或多個垂直的多孔多層，垂直於且橫越該第一多孔多層、該主動量子井覆蓋層及該第二多孔多層其中，該一或多個多孔多層分隔該第一多孔多層、該主動量子井覆蓋層及該第二多孔多層的一堆疊以形成多個VCSEL。
  15. 如請求項14所述之層狀結構，其中至少一個垂直的多孔多層之厚度及孔隙率被選擇以形成一多孔過濾器，該多孔過濾器允許處於一第三波長的一第三光波穿過來自該多個VCSEL中的相鄰的二個VCSEL之間。
  16. 如請求項14所述之層狀結構，其中至少一個垂直的多孔多層之厚度及孔隙率被選擇以形成一多孔隔離物，該多孔隔離物不允許光波穿過來自該多個VCSEL中的相鄰的二個VCSEL之間。
  17. 一種層狀結構，其包含：一基板；一第一磊晶分佈式布拉格反射器多層，生長在該基板上方；一主動量子井覆蓋層，磊晶生長在該第一磊晶分佈式布拉格反射器多層上面；以及一多孔多層，由與該基板相同的材料所組成，該多孔多層在該主動量子井覆蓋層上方。
  18. 如請求項17所述之層狀結構，其進一步包含：一第二磊晶分佈式布拉格反射器多層，生長在該主動量子井上面以及在該主動量子井及該多孔多層之間；其中，該第一磊晶分佈式布拉格反射器多層的一第一反射率不同於該第二磊晶分佈式布拉格反射器多層的一第二反射率，從而造成該多孔多層、該第一磊晶分佈式布拉格反射器多層、以及該第二磊晶分佈式布拉格反射器多層的一堆疊允許處於一第一波長的一第一光波穿過該堆疊。
  19. 一種環形層狀結構，其包含：一環形基板； 一第一徑向多孔分佈式布拉格反射器多層，徑向地在該環形基板下方；一環形主動量子井覆蓋層，徑向地在該第一徑向多孔分佈式布拉格反射器多層下方；以及一第二徑向多孔分佈式布拉格反射器多層，徑向地在該環形主動量子井覆蓋層下方。
  20. 如請求項19所述之環形層狀結構，其中該第一徑向多孔分佈式布拉格反射器多層具有與該第二徑向多孔分佈式布拉格反射器多層相同的徑向孔隙率。
  21. 如請求項19所述之環形層狀結構，其中該第一徑向多孔分佈式布拉格反射器多層、該環形主動量子井覆蓋層、以及該第二徑向多孔分佈式布拉格反射器多層形成一聚焦式VSCEL，該聚焦式VSCEL允許處於一第一波長的一第一光波穿過。
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