專利名稱：具有空氣間隙和保護(hù)涂層的垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，尤其系涉及一種具有空氣間隙和保護(hù)涂層的垂直腔面發(fā)射激光器。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)是眾所周知可使用半導(dǎo)體加工技術(shù)制作的光電子裝置。例如，圖1是展示一常規(guī)氧化物VCSEL 100的橫截面視圖，其包含一夾在部分反射鏡堆疊110與強(qiáng)反射鏡堆疊130之間的腔層120。腔層120通常包含發(fā)射激光的材料(如砷化鎵)，該材料在電流流過腔層120的地方發(fā)光。反射鏡堆疊110和120通常具有選擇用來使VCSEL100內(nèi)的工作激光波長達(dá)到期望增益的反射率和分離，而且較佳具有導(dǎo)電性并接觸VCSEL100中的電氣端子(圖中未顯示)。
反射鏡堆疊110內(nèi)的絕緣氧化物區(qū)112形成光圈的邊界，來自VCSEL100的光束通過該光圈發(fā)射出來。為了限制激光束，氧化物區(qū)112將進(jìn)入腔層120的電流引導(dǎo)至期望激光發(fā)射的區(qū)域。氧化物區(qū)112還可以改變光圈140區(qū)域以外的反射鏡堆疊110的反射率或折射率，以便將最佳增益限定在光圈140區(qū)域內(nèi)。
在作為商品出售之前，VCSELs(例如氧化物VCSEL100)通常必須通過可靠性試驗(yàn)，以嘗試識(shí)別出使用壽命短或在某些工作環(huán)境下可能失效的裝置。工業(yè)中廣泛使用一種通常稱為85/85應(yīng)力試驗(yàn)或濕高溫工作壽命試驗(yàn)(WHTOL)的試驗(yàn)來評定VCSELs和其他光電子裝置的可靠性。通常，氧化物VCSELs在85/85應(yīng)力試驗(yàn)中迅速失效。
因此，能使VCSELs通過必要的可靠性試驗(yàn)且由此提高VCSELs產(chǎn)量的結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)備受青睞。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，VCSEL在反射鏡堆疊中使用一空腔或空隙來界定一光圈并使用一薄保護(hù)層來覆蓋該空隙。有了該保護(hù)層，VCSEL便能通過85/85應(yīng)力試驗(yàn)并提供高可靠性。此外，該薄保護(hù)層的制作方法避免了與形成厚保護(hù)層相關(guān)的問題。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例是一種諸如VCSEL的裝置，該裝置包括一第一反射鏡堆疊、一第二反射鏡堆疊、一腔層和一保護(hù)層。該腔層位于第一反射鏡堆疊與第二反射鏡堆疊之間。一孔洞延伸穿過該第一反射鏡堆疊，且一空隙從該孔洞的側(cè)壁延伸至該第一反射鏡疊內(nèi)，以界定該裝置的光圈邊界。保護(hù)層第一反射鏡堆疊內(nèi)的孔洞側(cè)壁處密封該孔隙的一端。
本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例是一種諸如VCSEL等裝置的制作方法。該方法通常包含在一襯底上形成一第一反射鏡堆疊、一腔層及一第二反射鏡堆疊；在該第一反射鏡堆疊內(nèi)刻蝕一孔洞；去除該第一反射鏡堆疊內(nèi)一層的一部分，形成一個(gè)從該孔洞側(cè)壁延伸至該第一反射鏡堆疊內(nèi)的空隙；及沉積一在孔洞側(cè)壁處密封該空隙一端的保護(hù)層?？障兜男纬砂ㄑ趸谝环瓷溏R堆疊內(nèi)的層以形成一氧化物區(qū)，然后至少刻蝕掉該氧化物區(qū)的一部分。


圖1顯示一常規(guī)氧化物VCSEL。
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例包含一薄層的VCSEL，該薄層密封了用以界定VCSEL一光圈的空隙。
圖3A，3B，3C，3D和3E舉例說明圖2所示VCSEL的制作方法。
圖4顯示本發(fā)明一實(shí)施例的VCSEL的頂視圖。
不同圖中相同參考符號(hào)的使用表示相似或相同的物件。
具體實(shí)施例方式
依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，具有一界定光圈邊界的空隙并具有一薄保護(hù)層來保護(hù)該空隙的VCSEL可實(shí)現(xiàn)高可靠性。制作此類VCSEL的技術(shù)可使裝置能夠通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可靠性試驗(yàn)(例如85/85應(yīng)力試驗(yàn))，從而實(shí)現(xiàn)了裝置的高生產(chǎn)量。
圖2顯示根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的VCSEL200的橫截面視圖。VCSEL200包含形成在底部襯底240上的一頂部反射鏡堆疊210、一腔層220和一底部反射鏡堆疊230。一保護(hù)層250至少覆蓋住腔層220和反射鏡堆疊層210、230的選定部分，且尤其密封住界定VCSEL200光圈邊界的空隙212。
在圖示實(shí)施例中，腔層220包含一個(gè)或多個(gè)夾在間隔層222與226之間的活性層224(例如，一個(gè)或多個(gè)量子阱和/或一個(gè)或多個(gè)量子點(diǎn))。或者說，活性層224可位于一單個(gè)間隔層之上或之下?；钚詫?24可由多種材料制成，包括但不僅限于砷化鎵(GaAs)、銦鎵砷(InGaAs)、鋁銦鎵砷(AlInGaAs)、鋁鎵砷(AlGaAs)、銦鎵砷磷(InGaAsP)、鎵砷磷(GaAsP)、磷化鎵(GaP)、銻化鎵(GaSb)、鎵砷銻(GaAsSb)、氮化鎵(GaN)、鎵砷氮(GaAsN)、銦鎵砷氮(InGaAsN)和鋁銦鎵砷磷(AlInGaAsP)。也可使用其他量子阱層組成。間隔層222和226通常由根據(jù)活性層224組成選擇的材料制成。
腔層220具有一根據(jù)VCSEL200所發(fā)射的光工作波長選擇的總體厚度。要使VCSEL200產(chǎn)生光束，一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電流(圖中未顯示)流過活性層224。為連接至驅(qū)動(dòng)電路，VCSEL200在反射鏡堆疊252上方具有第一電氣觸點(diǎn)252，在活性層220下方具有一第二電氣觸點(diǎn)242。但是，VCSEL200也可使用其他構(gòu)造的觸點(diǎn)。例如，第二電氣觸點(diǎn)可以位于VCSEL200頂部或位于底部反射鏡堆疊230內(nèi)。不論使用何種構(gòu)造的觸點(diǎn)，在電氣觸點(diǎn)242與252之間施加的操作電壓較佳在VCSEL200內(nèi)產(chǎn)生一穿過反射鏡堆疊210和腔層220的電流，使活性層224中發(fā)射激光。
空隙212形成在反射鏡堆疊210的富鋁層214中，以形成一個(gè)從側(cè)面限制VCSEL200中載流子和光子流動(dòng)的限制區(qū)域。層214可以位于反射鏡堆疊210中的任意位置，包括其頂部或底部。在某些實(shí)施例中，空隙212限定了一個(gè)較佳供電流和激光流過的中央光圈。載流子限制起因于空隙212的相對高電阻率，從而致使電流流經(jīng)VCSEL200一位于中央的區(qū)域。光學(xué)限制起因于空隙212的低折射率，從而產(chǎn)生能引導(dǎo)腔層220內(nèi)所產(chǎn)生光子的側(cè)向折射率分布。載流子和光學(xué)側(cè)向限制增大了層224活性區(qū)域內(nèi)的載流子和光子濃度，并且提高了活性區(qū)域內(nèi)的光產(chǎn)生效率。
反射鏡堆疊210和230各包括一由具有不同折射率的交替層組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)較佳形成一個(gè)設(shè)計(jì)用于工作激光波長(例如，650nm～1650nm范圍內(nèi)的波長)的分布式布拉格反射器。例如，反射鏡堆疊210和230可包括鋁鎵砷層，其中該些層中的鋁含量在高、低水平之間交替變化。在常規(guī)堆疊中，反射鏡堆疊210和230的每一層通常都有一有效的光學(xué)厚度(即，層厚度與層折射率的乘積)，其大約為工作激光波長的四分之一。反射鏡堆疊210中的一特殊層214包含富鋁材料，其鋁含量足夠高，使得層214的氧化速度比反射鏡堆疊210中的其他層快得多。在一典型實(shí)施方案中，層214的鋁含量可約為95％～98％，而其他層的鋁含量一般在約20％～80％之間不等。
在圖2說明性實(shí)施例中，反射鏡堆疊210和230設(shè)計(jì)成VCSEL200通過反射鏡堆疊210發(fā)射激光。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，反射鏡堆疊210和230也可設(shè)計(jì)成VCSEL200通過反射鏡堆疊230或者襯底240發(fā)射激光。
給VCSEL200提供結(jié)構(gòu)性支持的襯底240可以由多種材料制成，包括但不僅限于砷化鎵、磷化銦、藍(lán)寶石(氧化鋁)、或銦鎵砷，并且可以是未摻雜、n型摻雜(例如，摻硅)或者p型摻雜(例如摻鋅)。為了提高與襯底240之間的結(jié)合力，可在VCSEL200的其他層之前先在襯底240層上生長一由大約100埃厚的材料(例如，砷化鎵或鋁鎵砷)形成的緩沖層(圖中未顯示)。在VCSEL200的圖示實(shí)施例中，襯底240較佳具有導(dǎo)電性，其中電氣觸點(diǎn)242位于襯底240的底面上?；蛘?，襯底240可由絕緣材料制成，且一連接至腔層220或底部反射鏡堆疊230的電氣觸點(diǎn)可覆蓋在襯底240上。
圖3A至圖3B顯示的是在VCSEL200制作過程中形成的中間結(jié)構(gòu)的剖面圖。為方便說明，圖3A至圖3E略去了底部支撐襯底和觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。VCSELs的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)在此項(xiàng)技術(shù)中已眾所周知，并且可以使用常規(guī)技術(shù)制成。
圖3A顯示的是形成底部反射鏡堆疊230、腔層220和頂部反射鏡堆疊210后的結(jié)構(gòu)剖面圖。常規(guī)外延生長方法，例如有機(jī)金屬化合物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)可以在支撐襯底(圖中未示出)上形成VCSEL200的該些層。在層210、220和230上覆蓋形成一帶有一個(gè)開口(或多個(gè)開口)的掩膜260。掩膜260可由光致抗蝕劑或其他材料制成，例如氮化硅(Si3N4)或金屬。
如圖3B所示，一使用掩膜260的刻蝕方法可形成開口270。開口270通常被稱為氧化孔洞，其延伸穿過VCSEL200的頂部反射鏡堆疊210和腔層220到達(dá)底部反射鏡堆疊230內(nèi)的一區(qū)域，并由此暴露出頂部反射鏡堆疊210中富鋁層214的邊緣。更一般的說，只要氧化孔洞270能暴露出富鋁層214，氧化孔洞270不需要延伸到底部反射鏡堆疊230中，反而可終止在腔層220或頂部反射鏡堆疊210中。濕或者干刻蝕方法包括反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和反應(yīng)離子束刻蝕(RIBE)，其可按所要求的深度形成開口270。在一個(gè)實(shí)施例中，開口270形成一個(gè)臺(tái)面形結(jié)構(gòu)供VCSEL200坐落于其中。
如圖3C所示，一使用水蒸汽或者干燥氧氣環(huán)境的氧化方法可氧化富鋁層214的暴露邊緣，形成氧化物區(qū)域216。如上所述，富鋁層214的鋁成分以高為佳，以使層214快速氧化而反射鏡堆疊210中的其他層的氧化速度較慢。例如，層214可以是鋁含量約為95％的鋁鎵砷，而其他層是鋁含量不超過90％的鋁鎵砷。富鋁層214內(nèi)的高氧化速度和氧化過程的持續(xù)時(shí)間控制氧化物區(qū)域216的側(cè)向延伸，并同時(shí)控制著層214中界定VCSEL200光圈的剩余區(qū)域。在本發(fā)明的一例示性實(shí)施例中，氧化物區(qū)域216在層214內(nèi)延伸大約25微米，從而留下一個(gè)直徑約10-20微米的光圈?？稍谘趸幚砬盎蚝笄宄谀?60。
圖3D顯示的是刻蝕過程清除了氧化物區(qū)域216并在層214內(nèi)留下空隙212后的結(jié)構(gòu)圖。可使用堿性溶液(例如氫氧化鈉(NaOH))通過濕刻蝕來清除氧化物區(qū)域216，尤其可使用pH值大于13的堿性溶液清除氧化物區(qū)域。作為完全清除氧化物區(qū)域216的一替代方案，部分清除氧化物區(qū)域216可留下部分氧化物區(qū)域216。據(jù)信，完全清除或部分清除氧化物區(qū)域216可通過減小氧化物層216形成時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力來改善裝置的可靠性。
圖3E所示的薄保護(hù)層250沉積在該結(jié)構(gòu)上或選擇性地沉積在包括氧化孔洞270在內(nèi)的若干區(qū)域內(nèi)。薄層250可以是一氮化硅層，其厚度小于約6000埃，較佳小于約2500埃，更佳約為1100埃。然而，其他材料如硅氧氮(SiON)等也可用于保護(hù)層250?；蛘?，保護(hù)層250可以是一復(fù)合層，例如包括一厚度約為1100-1500埃的氮化硅層、一厚度約為1100-1500埃的硅氧氮層和一厚度約為700-1000埃的鈦層。沉積方法可覆蓋氧化孔洞270的結(jié)構(gòu)/側(cè)壁并密封空隙212的暴露端，因此留下一個(gè)密封空隙(例如，一個(gè)被密封的空氣間隙)。向下進(jìn)入孔洞270的良好覆蓋對于高可靠性來說非常重要，該良好覆蓋可以通過例如等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法來實(shí)現(xiàn)。在沉積保護(hù)層250之前或在保護(hù)層250內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢眯纬砷_口(如有必要)之后，可形成頂部反射鏡堆疊210的電氣觸點(diǎn)。
可使用常規(guī)技術(shù)完成VCSEL制造方法，包括例如，背面金屬沉積，或下部反射鏡堆疊上或內(nèi)的金屬沉積，供形成一下部觸點(diǎn)。
圖4顯示的是一具有一中央光圈410的VCSEL400的頂視圖。電氣觸點(diǎn)/連線420包含一圍繞光圈410并接觸頂部反射鏡堆疊的圖案化金屬層。光圈410周圍的四個(gè)相似的氧化孔洞270與光圈410之間的間隔等于或者小于空氣間隙進(jìn)入頂部反射鏡堆疊內(nèi)的側(cè)向延伸。結(jié)果，伴隨氧化孔洞270的空氣間隙連在一起環(huán)繞著光圈410。另外，電氣觸點(diǎn)/連線420可包含一條在氧化孔洞之間延伸并連接至光圈410周圍區(qū)域的跡線或者金屬線。光圈410還可位于金屬線內(nèi)部，形成同心圓或方塊。
雖然本文已經(jīng)參考具體實(shí)例描述了本發(fā)明，該描述僅為本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例而不應(yīng)被認(rèn)為具有限制性。對上述實(shí)施例特征的各種修改和組合都屬于隨附權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種裝置，其包括一其中延伸穿過一個(gè)孔洞的第一反射鏡堆疊，其中一個(gè)空隙從所述孔洞的側(cè)壁延伸進(jìn)入所述第一反射鏡堆疊；一第二反射鏡堆疊；一位于所述第一反射鏡堆疊與所述第二反射鏡堆疊之間的腔層；及一在所述第一反射鏡堆疊內(nèi)所述孔洞側(cè)壁上密封所述空隙一端的保護(hù)層。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置包括一個(gè)垂直腔面發(fā)射激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一反射鏡堆疊包括多個(gè)層，并且所述空隙對應(yīng)于所述層中一個(gè)層的清除部分。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述保護(hù)層包括一第一電介質(zhì)層。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述第一電介質(zhì)層的厚度小于約6000埃。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述保護(hù)層進(jìn)一步包括一第二電介質(zhì)層。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述第一電介質(zhì)層包括一位于所述第一反射鏡堆疊內(nèi)所述孔洞側(cè)壁上的氮化硅層；所述第二電介質(zhì)層包括一位于所述氮化硅層上的硅氧氮層。
8.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述保護(hù)層進(jìn)一步包含一金屬層。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一反射鏡堆疊包含一富鋁層，并且所述空隙對應(yīng)于所述富鋁層的一清除部分。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述空隙完全圍繞所述裝置的一光圈。
11.一種制造方法，其包括在一襯底上形成一第一反射鏡堆疊、一腔層和一第二反射鏡堆疊；在所述第一反射鏡堆疊中刻蝕一孔洞；清除所述第一反射鏡堆疊中一層的一部分，形成一個(gè)從所述孔洞的一側(cè)壁延伸到所述第一反射鏡堆疊內(nèi)的空隙；及沉積一在所述孔洞側(cè)壁處密封所述空隙一端的保護(hù)層。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中形成所述第一反射鏡堆疊包括形成鋁鎵砷層，其中含有所述清除部分的層是一含有最高鋁濃度的鋁鎵砷層。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中清除所述層的所述部分包括氧化所述層以形成一氧化物區(qū)域；及蝕刻掉所述氧化物區(qū)域的至少一部分。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中蝕刻掉所述氧化物區(qū)域的至少一部分包括應(yīng)用一使用高pH值溶液的濕刻蝕。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中沉積所述保護(hù)層包括沉積一厚度小于約2500埃的第一電介質(zhì)層。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述保護(hù)層包含氮化硅。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中沉積所述保護(hù)層進(jìn)一步包括沉積一第二電介質(zhì)層。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第二電介質(zhì)層包含硅氧氮。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，其中沉積所述保護(hù)層進(jìn)一步包括沉積一金屬層。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種VCSEL，其在反射鏡堆疊中包含一空隙并包含一密封該空隙一端的保護(hù)層。該空隙界定了VCSEL光圈的邊界而不會(huì)引入氧化物VCSEL內(nèi)氧化物區(qū)域所能導(dǎo)致的應(yīng)力；可呈一薄電介質(zhì)層的保護(hù)層保護(hù)著反射鏡堆疊免受環(huán)境損傷。由此，VCSEL可實(shí)現(xiàn)高可靠性。VCSEL的制作方法是形成一個(gè)氧化孔洞；氧化暴露在孔洞中的VCSEL反射鏡堆疊中的富鋁層的一部分；及隨后清除全部或者部分剩余氧化物，形成所需的空隙。然后，可沉積保護(hù)層來密封該空隙的一端。
文檔編號(hào)H01S5/183GK1722552SQ20051000891
公開日2006年1月18日 申請日期2005年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者斯科特·A·麥克古 申請人:安捷倫科技公司