專利名稱：形成在單個薄片上的半導(dǎo)體激光器諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請要求2005年8月25日提交的美國臨時專利申請No. 60/710,820的優(yōu)先 權(quán)，在此以參見的方式引入該專利申請的內(nèi)容。
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體二極管激光器，具體地說，涉及具有刻蝕腔面(facet)的低 成本InGaAlN基激光器。
背景技術(shù)：
InGaAlN二極管激光器重要地作為用于許多應(yīng)用的光源；例如，在高密度光存 儲、顯示、打印和生物醫(yī)學(xué)方面。在與這些應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的許多裝置和系統(tǒng)中，需要 能夠提供高波陣面質(zhì)量的輸出光束的激光源。此外，許多這些系統(tǒng)和裝置的廣泛應(yīng) 用和商業(yè)成功依賴于低成本供應(yīng)的能力。因此，高制造產(chǎn)率和低成本是需要來構(gòu)造 這樣的系統(tǒng)和裝置的光源的關(guān)鍵要求。
基于至少具有n型下熔覆層、具有量子阱和勢壘的未摻雜激活層、p型上熔覆 層、以及高摻雜p型接觸層的外延生長層的半導(dǎo)體二極管激光器由InxGayAlzN制 成，其中o《x《1， 0<=y<=l， 0<=z<=l，并且x+y+z-l。這些激光器可以發(fā)射跨 度至少從紫光到藍(lán)綠光波長的波長范圍。該類型的激光器已被制造出來，并如前述 技術(shù)所述，參見例子，SNkamura等，"The Blue Laser Diode: The Complete Story"， Springer-Verlag， 2000，但這樣的激光器在面對高制造產(chǎn)率、低成本、高可靠性， 以及輸出輻射的高光學(xué)質(zhì)量的要求時，面臨許多挑戰(zhàn)。
當(dāng)前可用于InGaAlN基激光激活層的外延生長基底材料導(dǎo)致一個獨特的問題， 該問題造成獲取高制造產(chǎn)率和低成本的顯著障礙。例如，可用的基底引起激光激活 材料層的不尋常的高缺陷密度，另外，如果并非不可能的話，根據(jù)基底材料的機(jī)械 特性，使用機(jī)械切割(cleaving)來形成激光器鏡面是很具有挑戰(zhàn)性的。用SiC和 藍(lán)寶石制成的基底已被用于InGaAIN層的制作，但這些材料不允許InGaAIN層的 晶格匹配生長，并導(dǎo)致很高的缺陷密度、低制造產(chǎn)率和可靠性的顧慮。近來，獨立 式的GaN基底已可用于GaN激光器的制作，如2003年8月7日出版的Kensaku
7Motoki等的美國專利申請公布No. US 2003/0145783 Al。但是，即使使用最高質(zhì)量 的GaN基底，激光器激活層顯示出大約105 cm^的缺陷密度，該密度高于基于其 它材料系統(tǒng)的普通商用半導(dǎo)體激光器缺陷密度幾個數(shù)量級。此外，當(dāng)前這些GaN 基底的尺寸被限制為最多2英寸，而且成本很高。如果要獲取低成本，限制缺陷密 度對激光器制作制造產(chǎn)率的影響和提高制造產(chǎn)率一樣，是很重要的。
已經(jīng)知道，鏡面腔面可以通過刻蝕技術(shù)形成在二極管激光器上，如美國專利 4,851,368，以及BehfarRad等，IEEE Journal of Quantum Electronics, 28巻， 1227-1231頁，1992所述，在此以參見的方式引入它們的內(nèi)容。但是，刻蝕GaN 鏡面腔面的早期工作沒有導(dǎo)致高質(zhì)量的鏡面。例如，期望垂直于基底的被刻蝕表面 與豎直方向形成一個角度，如Adesida等，Applied Physics Letters, 65巻，889-891 頁，1994所述，并且腔面太粗糙，導(dǎo)致低下的反射率，如Stocker等，Applied Physics Letters, 73巻，1925-1927頁，1998所述。
近來， 一種使高質(zhì)量鏡面腔面可以在GaN材料系統(tǒng)中形成的新工藝，如Behfar 等于2006年6月20日提出申請，并轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的美國專利申請No. 11/455,636所述，在此以參見的方式引入該專利申請。如那份申請所述，由于包括 在切割操作中的機(jī)械處理，在晶片上采用傳統(tǒng)切割技術(shù)形成具有短諧振腔長度的多 重激光器是很困難的。此外，切割導(dǎo)致鏡面腔面的同時形成，以及晶片基底被分離 成單獨的激光器薄片。由于GaN晶體的切割比以前用于CD、 DVD和通訊的大規(guī) 模生產(chǎn)的二極管激光器中所使用的GaAs和InP基底的切割更困難，所以對于生長 在GaN基底上的InGaAlN基激光器而言，切割的腔面的成功形成尤其困難。
另一方面，如用于激光腔面形成的專利申請No. 11/455,636所述的刻蝕方法的 使用使腔面形成的優(yōu)化可以獨立于后來的裝置分離。在這個工藝中，激光器以與集 成電路薄片制作在硅上非常相同的方法被制作在晶片上，從而薄片以全晶片的形式 形成。激光器鏡面通過刻蝕腔面技術(shù)(EFT)被刻蝕在晶片上，并且電觸點被制作 在激光器上。激光器在晶片上被測試，隨后晶片被分離來將激光器分開進(jìn)行封裝。 刻蝕的AlGalnN基腔面的掃描電子顯微鏡照片顯示，使用EFT工藝，可以獲得高 度的垂直性和平整性，該工藝也使得可以制作用于具有AlGalnN基材料可達(dá)到的 波長要求的多種應(yīng)用的激光器和集成裝置。
前述的制作激光器的工藝可以概括為包括在具有AlGalnN基結(jié)構(gòu)的晶片上用 光刻確定多個光導(dǎo)裝置，以及刻蝕穿過由此產(chǎn)生的掩模以在晶片上制作多個激光波 導(dǎo)腔的步驟。另一下接刻蝕的光刻步驟，被用來當(dāng)波導(dǎo)依舊在晶片上時，在波導(dǎo)末端形成激光腔面或鏡面。隨后，在激光器諧振腔上形成電觸點，在晶片上測試各個 激光器，并且分離晶片以將激光器分開進(jìn)行封裝。該刻蝕腔面的方法包括在晶片上
的InGaAlN基激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的p摻雜頂層上使用高溫穩(wěn)定的掩模來確定腔面的 位置，其中掩模保持頂層的導(dǎo)電性，然后在化學(xué)輔助離子束刻蝕(CAIBE)中使用 超過500°C的溫度和超過500V的離子束電壓，穿過掩模在激光器結(jié)構(gòu)中刻蝕腔面。 半導(dǎo)體和掩模材料之間刻蝕的選擇性對于獲取用于光子學(xué)的平直表面非常重 要。通過在高溫下執(zhí)行CAIBE，獲得掩模和GaN基基底之間的高選擇性。CAIBE 的高離子束電壓也被發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)了選擇性。掩模材料經(jīng)過選擇來抵抗高溫刻蝕，但也 防止對GaN基結(jié)構(gòu)的p接觸的損傷。
尤其在InGaAlN激光器的情況下，激光器鏡面的刻蝕可以提供用于提高制造 產(chǎn)率并降低成本的優(yōu)點。例如
(a) 激光器諧振腔波導(dǎo)尺寸可以與薄片長度尺寸不同，并可以被優(yōu)化到最大 的激光器制作產(chǎn)率。通過制作有限長度的波導(dǎo)，在激光器激活區(qū)域發(fā)生材料缺陷的 概率被降低，并且提高制作產(chǎn)率。
(b) 多個激光器可以被制作在一個半導(dǎo)體薄片上來提高產(chǎn)率和可靠性。
(c) 具有在晶片平面中水平定向激光器諧振腔的表面發(fā)射激光器，可以通過 刻蝕出45°表面以將輻射向上引導(dǎo)出晶片平面來制成。
(d) 用于修正期望反射率的激光腔面鍍層可以在裝置分離之前被應(yīng)用在全晶 片級上。
(e) 激光器測試可以在全晶片級上被經(jīng)濟(jì)地執(zhí)行。
(f) 諸如光二極管、透鏡、光柵等附加裝置可以與激光器形成一體。 現(xiàn)今大規(guī)模生產(chǎn)的基于GaAs和InP基底的二極管激光器的產(chǎn)率和成本并沒有
受到基底質(zhì)量和成本的影響。用于這些激光器裝置的基底通常具有大約10^111'2的 缺陷密度，并且可用在直徑最大為6英寸，而成本比GaN基底的成本低幾個數(shù)量 級的更大尺寸的晶片上。GaAs和InP都有閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，這使得用于激光器末 端鏡面的形成和薄片分離的切割都變得容易，而切割是這些半導(dǎo)體激光器批量生產(chǎn) 的主要方法。此外，在諸如通訊領(lǐng)域中的二極管激光器的應(yīng)用，光學(xué)成像并不是首 要問題，而光束質(zhì)量的要求更寬松。
為了產(chǎn)生高產(chǎn)率、低成本、高可靠性、好的波陣面質(zhì)量的InGaAlN激光器， 需要一種將位于或靠近激光器激活區(qū)域的基底誘導(dǎo)缺陷的出現(xiàn)最小化、提供不畸變 的光束的裝置設(shè)計，以及制作這樣一種激光器裝置的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，InGaAlN半導(dǎo)體二極管激光器設(shè)有通過刻蝕形成的激光器鏡面。 激光器包含特殊設(shè)計特性，這些特殊設(shè)計特性可減小由基底缺陷引起的不合需要的 產(chǎn)率損失，降低裝置成本，改善可靠性，并且提供具有高光學(xué)波陣面質(zhì)量的輸出光 束?，F(xiàn)有技術(shù)顯示，鏡面或腔面刻蝕使得波導(dǎo)長度的制作可以縮短為3微米。由激 光器腔面刻蝕提供的附加優(yōu)點，比如全晶片測試和裝置集成也已經(jīng)如現(xiàn)有技術(shù)所 述。但是，對激光器波導(dǎo)長度和寬度進(jìn)行特殊選擇，來將由材料缺陷引起的產(chǎn)率減 少最小化的需求并沒有在該領(lǐng)域被認(rèn)知，而用于提供高光學(xué)波陣面質(zhì)量激光的特殊 幾何構(gòu)型也沒有得到認(rèn)知。
簡要地說，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于產(chǎn)生諸如光存儲所需要的具有好的光 學(xué)波陣面特性的激光器的方法和結(jié)構(gòu)。為了這些目的，位于或靠近激光器的刻蝕前 腔面的幾何構(gòu)型用這樣的方法設(shè)計，其中為了防止有害的光束畸變，從激光器前腔 面形成的輸出光束基本不被半導(dǎo)體薄片的邊緣阻擋。該要求與其它領(lǐng)域的二極管激 光器應(yīng)用相反，比如通信，其光學(xué)成像并非首要問題，而且光束質(zhì)量的要求也更寬 松。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)外延生長在基底上且至少具有下熔 覆層、激活層、上熔覆層和接觸層。穿過由光刻確定的掩模的干法刻蝕產(chǎn)生長度為 lc、寬度為bm的激光器臺面。本發(fā)明的更佳形式是，另一種光刻和刻蝕被用于形成 臺面頂部寬度為w的脊形結(jié)構(gòu)，但是本發(fā)明被認(rèn)為并不限于脊形激光器結(jié)構(gòu)，刻 蝕步驟也在激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的末端形成鏡面、或腔面。
通過采用諸如在劃線或激光劃片后的鋸和切割等合適的分離工藝，晶片被分成 單個裝置薄片。薄片的長度L和寬度bs可以分別被選擇為等于或長于波導(dǎo)長度le
和臺面寬度bm的方便的數(shù)值。
由于刻蝕用于激光器鏡面的形成，可以設(shè)計激光器波導(dǎo)從而使它短于裝置薄片
的長度，特別是可以對設(shè)計進(jìn)行選擇來減少由InGaAlN激光器激活層中異常的高 缺陷密度所引起的產(chǎn)率損失。位于激光器激活波導(dǎo)區(qū)域的材料缺陷的概率與它的長 度le和有效強(qiáng)度分布寬度w,和缺陷密度D有關(guān)。制作沒有這種缺陷的激光器的產(chǎn) 率Yd與所述概率成反比，并且可以用泊松(Poisson)統(tǒng)計來表示。根據(jù)本發(fā)明， 選擇波導(dǎo)長度和寬度從而對于給定的缺陷密度D，產(chǎn)率YD大于50%。
特別對于要求激光具有高光學(xué)波陣面質(zhì)量的應(yīng)用，重要的是設(shè)計激光鏡面、臺面、裝置薄片的幾何構(gòu)型，從而在沒有被薄片邊緣有效阻擋時，可以形成并傳播激 光器的輸出。因此，理想的是，在離形成激光束的激光器臺面的前端非常小的距離
a，形成裝置薄片的前端面。同時，為了防止損傷，分離必須不能在過于靠近高質(zhì)
量鏡面表面的地方進(jìn)行。由于與光刻控制的刻蝕工藝相比，分離的尺寸精度通常降
低，所以理想的是，選擇不長于激光器臺面長度le的裝置薄片長度ls，并定位波導(dǎo)
使a雖小但不為零。
根據(jù)本發(fā)明，必須特別小心地選擇薄片邊緣和激光器臺面底部之間的距離a， 以及激光器輸出光束中心和激光器臺面頂部之間的高度h，使符合從激光器前鏡面 發(fā)射的激光器輻射光束散射角。在垂直于基底的方向上，從激光器前鏡面形成的輻 射在光束中心具有高強(qiáng)度，并且在離開光束中心的延長距離上強(qiáng)度下降。發(fā)射激光 束的垂直發(fā)散角通常由其半高寬遠(yuǎn)場角^表征，該遠(yuǎn)場角標(biāo)識在強(qiáng)度降低為中心數(shù) 值50%的光線之間的角度擴(kuò)展。裝置薄片的邊緣可以導(dǎo)致對正在傳播的激光束下 部的部分阻擋。如果發(fā)生這種現(xiàn)象， 一些與頂部表面碰撞的光將被反射，并且與激 光束上部發(fā)生干涉，而且與由薄片邊緣引起的衍射一起導(dǎo)致不需要的輻射分布畸 變、以及激光強(qiáng)度調(diào)制的空間改變。對于要求高光學(xué)波陣面質(zhì)量的應(yīng)用，把通過分 離工藝形成的薄片邊緣對激光的阻擋最小化是很重要的。


本發(fā)明前述的附加對象、特性和優(yōu)點，對于本發(fā)明的如下具有附圖的詳細(xì)描述
領(lǐng)域中的技術(shù)是很明顯的，其中
圖1A示出具有垂直于基底平面的刻蝕腔面的分離的脊形半導(dǎo)體激光器；
圖1B示出在沿著激光器波導(dǎo)方向的分離的脊形激光器的橫截面；
圖1C示出在垂直于激光器波導(dǎo)方向的方向上的分離的脊形激光器的橫截面；
圖1D示出具有與基底呈45°的刻蝕腔面的分離脊形半導(dǎo)體激光器；
圖2示出在被分離成單個裝置前的激光器晶片的局部俯視圖3表示激光器產(chǎn)率由激光器波導(dǎo)長度le決定，其中4微米的有效寬度w,被
用于計算和對于兩種不同缺陷密度的產(chǎn)率曲線，對于InGaAlN 二極管激光器報導(dǎo) 的最低缺陷密度為D=105cm—2，對于大規(guī)模生產(chǎn)的AGaAs激光器，典型值為
D=10W2;
圖4以沿著激光器波導(dǎo)方向的橫截面來示出分離的脊形激光器發(fā)射極末端； 圖5示出在垂直于光束傳播方向的方向上的激光束的高斯強(qiáng)度分布；圖6a以沿著激光器波導(dǎo)方向的橫截面來示出在具有輔助臺面方向上的脊形激
光器的發(fā)射極末端；
圖6b示出具有由分離產(chǎn)生的長度為lc的激光器臺面、長度為lm的輔助臺面和
長度為1J勺薄片的裝置的三維視圖7示出制作于一個薄片上的四個邊緣發(fā)射激光器；
圖8示出包括InGaAlN激光器的光學(xué)采集系統(tǒng)；
圖9示出包括光學(xué)采集系統(tǒng)和InGaAlN激光器的光學(xué)存儲系統(tǒng)。
具體實施例方式
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到本發(fā)明的具體描述，圖1A-1C示出二極管激光器薄片10，包括支承 具有末端腔面16和18的外延生長和刻蝕的脊形激光器14的基底12。如該領(lǐng)域所 知，與目前具有特殊設(shè)計幾何構(gòu)型的激光器相比，脊形激光器通過刻蝕激光器末端 腔面形成。根據(jù)本發(fā)明，半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)14外延生長在基底12上且至少具有下 熔覆層20、激活層22、上熔覆層24、以及接觸層26。穿過光刻確定的掩模的干法 刻蝕，制造長度為le、寬度為bm的激光器臺面30。另一種光刻和刻蝕順序被用來 形成臺面頂部寬度為w的脊形結(jié)構(gòu)32。盡管如圖1A-C示意性所示并描述的激光 器是脊形設(shè)計，但本發(fā)明并不局限于脊形激光器結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用到其它半導(dǎo)體激光器 設(shè)計中。
如圖2所示，通過已知的掩模和刻蝕步驟、多個激光器14、 14(a)、 14(b)、 14(c)……14n(n)制作于傳統(tǒng)晶片40上，基底12可能是該傳統(tǒng)晶片的形式。在這些 激光器形成和測試后，沿著水平或垂直切割線42和44劃線或激光劃片后，使用諸 如鋸、切割等正確的分離工藝，將晶片分成多個單個裝置薄片12、 12(a)、 12(b)、 12(c)……12(n)?？梢赃x擇各個薄片的長度k和寬度b;來分別獲得等于或長于各個 相應(yīng)的激光器14的波導(dǎo)長度le和臺面寬度bm的方便數(shù)值。
通過對激光器和鏡面或腔面形成使用刻蝕工藝，比如腔面16和18，可以將各 個激光器波導(dǎo)設(shè)計成短于相應(yīng)薄片裝置的長度。特別是，可以選擇減少由位于 InGaAlN激光器激活層中顯著的高缺陷密度造成的產(chǎn)率損失的設(shè)計。位于如圖1A 和1C所示的激光器激活波導(dǎo)區(qū)域46中的材料缺陷概率，與該區(qū)域的長度le、有效 強(qiáng)度分布寬度w,，以及缺陷密度D有關(guān)。制作無缺陷激光器的產(chǎn)率Yd與所述概率 成反比，并可以使用泊松統(tǒng)計表示
= exp(—Dx w, x/c) (1 )盡管根據(jù)無缺陷InGaAlN激光器的制作來對產(chǎn)率進(jìn)行討論，可能出現(xiàn)在對特 殊應(yīng)用足以發(fā)揮功能的諧振腔中具有一個或多個缺陷的InGaAlN激光器，所述情 況將得到充分理解。但是，在InGaAlN激光器中，在位于或靠近激活區(qū)46處減少 缺陷對于激光器產(chǎn)率和可靠性具有積極含義。
垂直于激光器波導(dǎo)14的縱軸方向上，以及基底12平面上的激光強(qiáng)度分布，在 中間很高，而向兩邊降低。通常激光強(qiáng)度分布用高斯分布即足以描述。對于實用目 的，這里w,被確定為強(qiáng)度降低到中心值的1&3的點之間的寬度。
注意到，其它的作用將對總制造產(chǎn)率Y造成影響，而YD只描述由密度為D 的材料缺陷導(dǎo)致的產(chǎn)率影響。圖3顯示出YD受到le的影響，其中D40Scm—2，寬 度Wl=4微米。對于通常用于半導(dǎo)體二極管激光器的最大為1000微米的激光器長度 的產(chǎn)率值如圖所示。圖3清楚地示出，可以制作出長度為100微米的InGaAlN 二 極管激光器，其產(chǎn)率YD比通常使用的長度為500微米的InGaAlN激光器的值高5 倍。
圖3也示出對于大規(guī)模生產(chǎn)的用缺陷密度低于102cm—2的M.xGaxAs材料層制 作的780nm激光器的Yd典型信。在InGaAlN激光器的情況下，隨著激光寬度lc 的增大，基底缺陷引起實質(zhì)產(chǎn)率退化，但是對于780nm的激光器卻沒有所述現(xiàn)象。 因此，對于AlGaAs激光器，無須考慮等式(1 )所包含的設(shè)計約束，但是對于InGaAlN 激光器，它們導(dǎo)致實質(zhì)產(chǎn)率的改善。
根據(jù)本發(fā)明，選擇波導(dǎo)長度和寬度，以使對于給定的缺陷密度D，由等式(l) 決定的Yd大于50%是理想的。有限波導(dǎo)長度的選擇具有降低總內(nèi)部激光器損耗的 附加利益。
特別對于要求激光具有高光學(xué)波陣面質(zhì)量的應(yīng)用，重要的是，將激光器鏡面 16、臺面30、裝置薄片10的幾何構(gòu)型設(shè)計成使從腔面16輸出的光束可以在不被 薄片10的邊緣50有效阻擋的情況下向外形成并傳播。因此，理想的是，在離形成 激光束56的激光器臺面30的前腔面16很小距離a處形成裝置薄片的前面部52(參 見圖1A和1B)。同時，為了防止損傷，必須執(zhí)行薄片的分離以使切割線42 (圖2) 不與高質(zhì)量鏡面16靠得太近。由于與光刻控制的刻蝕工藝相比，分離的尺寸精度 通常大為減小，所以理想的是，選擇長于激光器臺面30、以及因此激光器波導(dǎo)32 的長度Ic的裝置薄片10的長度ls，如圖1A和IB所示，并且定位波導(dǎo)32以使a 雖然小但不為零。
根據(jù)本發(fā)明，薄片10的邊緣50和激光器臺面30底部之間的距離a，以及激光器輸出光束56的中心線54和激光器臺面30的頂部58之間的高度h，必須很小 心地選擇來符合從前激光器鏡面16發(fā)射的激光器輻射56的光束發(fā)散角6 (參見圖 IB和4)。在垂直于基底52的頂部表面60的方向上，從前激光器鏡面16發(fā)射的 輻射56在光束中心54具有高強(qiáng)度，并且根據(jù)距離光束中心的距離而降低。圖5 示出高斯強(qiáng)度分布曲線70，它示出并近似由激光器發(fā)射的垂直輻射分布。發(fā)射激 光束56的垂直發(fā)射角e通常用其半高寬(FWHM)遠(yuǎn)場角^來表征，該遠(yuǎn)場角標(biāo) 識在強(qiáng)度降低為光束56的中心數(shù)值50%的光線之間的角度擴(kuò)展。在圖4中，光束 邊界72和74標(biāo)識強(qiáng)度為位于中心區(qū)域54的最大強(qiáng)度的50%，但總激光器輸出的 相當(dāng)大部分傳播到這些邊界外。根據(jù)從圖4和5所可以理解的，裝置薄片10的邊 緣50部分阻擋傳播中的激光束56的下部。當(dāng)該情況發(fā)生時， 一些與頂部表面58 碰撞的光將被反射，并將與激光束56的上部干涉，當(dāng)該作用與也可由薄片邊緣引 起的衍射相結(jié)合時，結(jié)果將出現(xiàn)輻射分布的不合需要的畸變，并在空間上改變激光 強(qiáng)度的調(diào)制。
對于要求高質(zhì)量波陣面質(zhì)量的應(yīng)用，將由分離工藝形成的薄片邊緣50對激光 56的阻擋最小化是很重要的。對于表示發(fā)射激光輻射的半高寬(FWHM)遠(yuǎn)場角w， 通過根據(jù)等式(2)設(shè)置薄片10的幾何構(gòu)型，可以獲得光束阻擋的大量減少
假定位于薄片邊緣的正確的高斯強(qiáng)度分布，由等式(2)描述的幾何構(gòu)型設(shè)計 把被裝置薄片阻擋的激光強(qiáng)度降低到約5%。該設(shè)計可以通過用足夠深的刻蝕形成 的激光器腔面，并仔細(xì)控制決定距離a的分離工藝來實現(xiàn)。
在本發(fā)明的一個實施例中，尺寸a所要求的精度可以通過制造如圖6(a)和6(b) 所示長度為lm的相對高的輔助臺面被放寬。這些圖示出用關(guān)于圖1A-C的如上所述 的方法制作于基底12上的薄片裝置80，相似的部件用相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示。薄片 裝置80與圖1A到1C所示不同之處在于，設(shè)置了輔助臺面82，該輔助臺面82在 前述裝置的臺面30下方并制成該臺面30。熟悉所述技術(shù)領(lǐng)域的人所知的多個技術(shù)， 可用于所述高臺面的制作。這些方法不需要制造位于激光器波導(dǎo)末端的被反射鏡面 16和18所要求的用于臺面82的平滑高質(zhì)量表面。 一個適合制造所需結(jié)構(gòu)的方法 包括用光刻來標(biāo)識位于激光器激活層22頂部的輔助臺面82的位置、長度、寬度， 該激光器激活層22如前所述外延生長于基底52上。隨后臺面邊界附近的材料被去 除，形成深度b。激光器鏡面16和18隨后通過上面所述方法形成，該方法也用光刻來確定激光器波導(dǎo)的長度le和末端位置，以使激光器前鏡面16相對于輔助臺面
前邊緣84可以精確定位。如果圖6a所示的距離a選擇地相對較小，則相對較淺的 刻蝕深度就足以確保比例h/a滿足等式(2)的要求，從而防止任何由輔助臺面對 激光束造成的有害阻擋。
在完成在晶片上制造功能完整的激光器所要求的光刻和刻蝕步驟后，如圖6a 和6b所示，通過將分離線42定位到離輔助臺面邊緣合適距離為aj勺位置上，晶 片被分離成單個裝置。為了避免不需要的光束阻擋，需要選擇距離as，從而
重要的是應(yīng)該理解，高度為b的高輔助臺面的制作很容易引起h+hs的值較高， 這促使即使a,值較高，也可以獲得高比例值(h+hj/(a+a》。這使位于激光器前部的 分離線所要求的精度等級放寬。由于通常的分離方法并不通過光刻控制，所以輔助 臺面的理想制作可以提高制造產(chǎn)率，并降低裝置成本。
盡管如圖1A-C和圖6a-b所示，分離表面是平的，但如果分離表面不被用來提 供到激光器諧振腔的光學(xué)反饋，它可以有一定的粗糙度，并凹凸不平，而對激光器 閾值或效率沒有有害影響。
對激光器結(jié)構(gòu)的描述，目前為止聚焦在向利用來自腔面16的輸出激光的系統(tǒng) 或裝置提供激光束的激光器裝置前部。如圖1B所示，可以使后部激光器鏡面18 和后部薄片邊緣88之間的距離p變大，因為對于從后鏡面形成的任何激光輻射的 光束質(zhì)量沒有嚴(yán)格要求，否則要設(shè)計裝置以使從后部末端不形成大量輻射。
在如上所述的本發(fā)明的實施例中，通過在基本垂直于與基底晶片平面基本平行 的激光方向的方向上，刻蝕腔面表面來形成激光器前鏡面16。但是，如圖1D所示， 發(fā)射激光的表面可以通過提供成角度刻蝕的前腔面16'來形成，該前腔面在垂直于 基底平面的方向上指引來自激光器的發(fā)射光56'。這種激光器結(jié)構(gòu)被稱為水平諧振 腔表面發(fā)射激光器，或HCSEL。在HCSEL的情況下，形成的輻射56'的光束形狀 不再受分離工藝的影響，而距離a也不如上所述那樣嚴(yán)格。如果期望的話，可以在 激光器的頂部表面上提供透鏡89，如2004年10月14日申請的共同待審查美國專 利申請No. 10/963,739，以及2005年1月19日申請的專利申請No. 11/037,334所 述，這兩個專利都轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。
如圖1A和B所討論和示出，激光器鏡面的刻蝕使得可制作短波導(dǎo)長度le,并 且薄片長度U可以獨立于le被選擇。為了降低成本，在選擇足夠大的尺寸，來保持在可容忍的水平上分離、連接、封裝的處理難度的同時，盡可能地減少薄片長度ls 和寬度bs是有利的。
在本發(fā)明的另一個實施例中，可以選擇波導(dǎo)長度le和激光器臺面寬度bm，以 使多個激光器可以被放置在一個尺寸為ls和bs的薄片上。當(dāng)使用刻蝕以形成激光 器鏡面時，每個激光器的功能和特性可以在薄片分離、導(dǎo)線連接、封裝前被測試。 這使得可以根據(jù)用于特殊目的應(yīng)用的最佳特性，來決定和選擇激光器。每個指定裝 置薄片上的多余激光器的制作，使得可以進(jìn)行有益的產(chǎn)率改進(jìn)和性能優(yōu)化。激光器 可以是具有垂直刻蝕腔面的邊緣發(fā)射極，或可以使用HCSEL結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直發(fā)射。 然而，已經(jīng)知道多個多余的激光器可以以多種不同幾何構(gòu)型安排和發(fā)射方向，被放
置在一個薄片上，圖7對具有四個多余邊緣發(fā)射裝置92、 94、 96和98的薄片90 的例子進(jìn)行說明。如圖7所示，每個單個激光器裝置的波導(dǎo)諧振腔102、 104、 106 和108分別小于薄片長度或?qū)挾鹊囊话?。為了提高產(chǎn)率，這些多個激光器被放置在 一個薄片90上，如圖7所示的四個激光器向不同的方向發(fā)射激光。所述薄片被封 裝入例如TO型罐中，其中一個激光器可以被選擇性地在封裝內(nèi)導(dǎo)線連接，來向激 光器提供電流。
已知一些獨立式GaN基底具有與高缺陷密度材料帶接近的低缺陷密度GaN
帶。通過切割制作的激光器諧振腔被平行于低缺陷密度帶地放置在低缺陷密度帶
內(nèi)。短諧振腔刻蝕腔面激光器可以在與低缺陷密度帶成任何角度的條件下被制作， 并可以具有其包含在低缺陷密度區(qū)域內(nèi)的整個激活區(qū)域。
刻蝕腔面激光器的一個優(yōu)點是鍍層可以涂敷到前后激光器鏡面來修改它們的 反射率。
本發(fā)明的低成本InGaAlN激光器的一個應(yīng)用是用于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的光學(xué) 采集裝置。而應(yīng)該理解，這種光學(xué)采集裝置和數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)可以根據(jù)它們的具體設(shè) 計而變化，圖8示出用附圖標(biāo)記120來整體表示的采集裝置的典型部件和功能。在 該裝置中，光束成形裝置122采集由激光器124發(fā)射的輻射，并將其成形。成形部 件和功能可以包括用于瞄準(zhǔn)的透鏡、用于形成橢圓激光束形狀的棱鏡、用于制造靠 近主光束左右的兩條側(cè)光束的光柵。激光隨后通過可以是后跟四分之一波平面的偏 振光分離器的光束分離器126。鏡面128將光引導(dǎo)到將光束聚焦到存儲介質(zhì)132的 物鏡130。
從介質(zhì)反射的光返回通過透鏡130，從鏡面128反射并通過光束分離器126轉(zhuǎn) 向到測試系統(tǒng)134。測試系統(tǒng)134包括被分解成具有一定的幾何尺寸及排列的多個光敏元件的光電探測器136，以使該測試系統(tǒng)可以產(chǎn)生標(biāo)識在存儲介質(zhì)內(nèi)編碼的數(shù) 據(jù)的電信號、以及標(biāo)識與數(shù)據(jù)相關(guān)的聚焦激光點的橫向數(shù)據(jù)跟蹤和縱向聚焦位置的
伺服錯誤信號。光學(xué)處理系統(tǒng)138可以用于對光進(jìn)行光學(xué)操作，以使數(shù)據(jù)和伺服錯 誤信號可以由光電探測器136產(chǎn)生。
通常是電子機(jī)械設(shè)計的致動器系統(tǒng)140用來響應(yīng)跟蹤和焦點伺服錯誤信號，控 制存儲介質(zhì)上的聚焦激光點的縱向和橫向位置。
圖9示出使用具有激光器124的光學(xué)采集裝置150和由電動機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的光學(xué) 磁盤介質(zhì)152的光學(xué)存儲系統(tǒng)。數(shù)據(jù)被編碼為存儲介質(zhì)的光學(xué)可探測的材料修改 件，并被排列在磁盤介質(zhì)附近的圓周定向的磁道上。通過使用電子機(jī)械致動器系統(tǒng) 156來移動和控制聚焦激光點的橫向位置，每個數(shù)據(jù)磁道可以用光學(xué)采集裝置150 來訪問。光學(xué)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)可以是讀取已使用分離系統(tǒng)預(yù)先記錄在光學(xué)磁盤上的數(shù) 據(jù)樣式的只讀系統(tǒng)。光學(xué)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)還可包括使用激光器124和用于調(diào)節(jié)激光強(qiáng) 度的電控制器來向磁盤介質(zhì)上寫數(shù)據(jù)的能力。
盡管本發(fā)明已根據(jù)最佳實施例來說明，在不離開如下權(quán)利要求所陳述的基本精 神和范圍的情況下，可以進(jìn)行變更和修改。
1權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器裝置，包括基底；在所述基底上的外延生長層結(jié)構(gòu)；長度為lc的激光器諧振腔，所述激光器諧振腔在所述外延生長層內(nèi)形成，所述激光器諧振腔具有至少一個垂直于所述基底平面的刻蝕腔面表面；長度為ls的薄片，所述薄片通過分離所述基底形成且結(jié)合所述激光器諧振腔，ls大于所述激光器諧振腔長度lc；所述薄片的從所述激光器諧振腔光束軸的中心到所述薄片的刻蝕頂部表面的距離為h，從所述薄片的邊緣到所述刻蝕腔面的距離為a；所述激光器諧振腔能夠產(chǎn)生具有半高寬垂直遠(yuǎn)場角 id="icf0001" file="A2006800393450002C1.tif" wi="3" he="2" top= "103" left = "131" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/>的激光器輸出光束；并且其中，比例h/a等于或大于<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>tan</mi><mrow> <mo>(</mo> <msqrt><mfrac> <mn>2</mn> <mrow><mi>ln</mi><mn>2</mn> </mrow></mfrac> </msqrt> <mo>&times;</mo> <mfrac><mi>&theta;</mi><mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>.</mo> </mrow>]]></math></maths>
2. —種半導(dǎo)體激光器裝置，包括基底；在所述基底上的外延生長層結(jié)構(gòu)；激光器諧振腔，所述激光器諧振腔具有在所述外延生長層結(jié)構(gòu)內(nèi)通過刻蝕制造的腔面，所述腔面具有垂直于所述基底平面的表面；在所述刻蝕腔前面的輔助臺面結(jié)構(gòu)，所述輔助臺面結(jié)構(gòu)的頂部離通過所述激光器腔面的激光束軸線中心的距離為h;薄片，所述薄片通過裝置分離所述基底形成且結(jié)合所述激光器諧振腔，所述薄片中從所述輔助臺面結(jié)構(gòu)的邊緣到薄片邊緣的距離為as;所述輔助臺面結(jié)構(gòu)高度為lV所述激光器諧振腔可操作來產(chǎn)生具有半高寬垂直遠(yuǎn)場角^的從所述刻蝕腔面發(fā)射的輸出光束；并且其中，比例h/a等于或大于<formula>formula see original document page 2</formula>并且比例(h+h。/(a+a。大于或等于
3. —種半導(dǎo)體激光器裝置，包括基底；基本InGaAlN的外延生長層結(jié)構(gòu)，所述外延生長層結(jié)構(gòu)具有在所述基底上缺陷密度為D的激光器激活區(qū)；長度為le的激光器諧振腔，所述激光器諧振腔在所述結(jié)構(gòu)中形成，激光方向基本平行于所述基底平面；在所述激光器諧振腔上的至少一個刻蝕腔面；所述激光器諧振腔具有在所述激光器諧振腔內(nèi)并相對于所述基底平面水平的有效強(qiáng)度分布寬度w,，所述寬度w,等于或大于激光軸線上最大強(qiáng)度的1/e3;其中Yj^exp(-Dxw,xle)等于或大于50%。
4. 如權(quán)利要求3所述的激光器，其特征在于，所述至少一個刻蝕腔面以與所述基底成45°或接近45°的角度被刻蝕。
5. 如權(quán)利要求4所述的激光器，其特征在于，還包括在所述45。腔面上形成的透鏡。
6. 如權(quán)利要求4所述的激光器，其特征在于，還包括光柵，所述光柵在所述45。表面上定位，并將所接收的激光分成中心光束和至少兩條靠近所述中心光束的側(cè)光束。
7. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括通過刻蝕基本垂直于所述基底平面的表面形成的第二激光器腔面。
8. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，還包括通過刻蝕基本垂直于所述基底平面的表面形成的第二激光器腔面。
9. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，還包括通過刻蝕基本垂直于所述基底平面的表面形成的第二激光器腔面。
10. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，還包括通過刻蝕基本垂直于所述基底平面的表面形成的第二激光器腔面。
11. 如權(quán)利要求l所述的裝置，其特征在于，所述基底包含GaN。
12. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述基底包含GaN。
13. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述基底包含GaN。
14. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述基底包含GaN。
15. —種InGaAlN基激光器，包括基底，所述基底具有長度為L和寬度為w,的激光器諧振腔，所述激光器諧振腔包括下熔覆層；激活區(qū)；上熔覆層；至少一個刻蝕腔面；并且其中l(wèi)c<400|im，且w^4pm。
16. 如權(quán)利要求15所述的激光器，其特征在于，1^30(Him。
17. 如權(quán)利要求15所述的激光器，其特征在于，lS20(Him。
18. 如權(quán)利要求15所述的激光器，其特征在于，1^1(K^m。
19. 一種InGaAlN基激光器，包括基底，所述基底具有激光器諧振腔，所述激光器諧振腔包括下熔覆層；'激活區(qū)；上熔覆層；至少一個刻蝕腔面；以及所述刻蝕腔面的光刻確定的腔面反射率修改件。
20. —種光子裝置，包括基底；在所述基底上的包含InGaAlN的結(jié)構(gòu)；在所述結(jié)構(gòu)上與所述基底成45°或接近45°的角度的刻蝕腔面。
21. 如權(quán)利要求20所述的光子裝置，其特征在于，還包括所述刻蝕腔面的光刻確定的腔面反射率修改件。
22. —種薄片，包括基底，所述基底包括至少一個預(yù)先確定的低缺陷密度的區(qū)域、以及至少一個預(yù)先確定的高缺陷密度的區(qū)域；半導(dǎo)體激光器，所述激光器制作在所述基底上，所述激光器具有激活區(qū)，并且具有至少一個刻蝕腔面；并且其中，所述激活區(qū)完全包含在所述低缺陷密度區(qū)內(nèi)。
23. 如權(quán)利要求22所述的薄片，其特征在于，其中所述低和高缺陷密度區(qū)域位于平行帶中，還包括在所述基底上形成的波導(dǎo)諧振腔，所述諧振腔定位在不平行于所述帶的某個角度上。
24. —種薄片，包括長度為ls、寬度為bs的半導(dǎo)體；至少一個在所述半導(dǎo)體中形成的諧振腔長度為le的激光器；所述激光器具有至少一個刻蝕腔面；并且其中WV2。
25. 如權(quán)利要求24所述的薄片，其特征在于，其中l(wèi)^bs/2。
26. —種封裝的光子裝置，包括寬度b^250nm、長度1^250^n的薄片；位于所述薄片上的至少兩個InGaAlN基激光器；并且其中所述兩個激光器之一通過導(dǎo)線連接接收電流。
27. —種光學(xué)采集系統(tǒng)，包括InGaAlN基激光器；所述激光器具有至少一個刻蝕腔面；光學(xué)發(fā)送器和成形器，所述光學(xué)發(fā)送器和成形器用于將來自所述激光器的輻射引導(dǎo)和聚焦到光學(xué)存儲介質(zhì)上；光學(xué)接收器，所述光學(xué)接收器用于接收來自所述光學(xué)存儲介質(zhì)的反射激光，并提供響應(yīng)于其的數(shù)據(jù)信號、以及表示與所述存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)相關(guān)的聚焦激光的縱向和橫向位置的位置錯誤信號；致動器，所述致動器用于響應(yīng)于所述位置錯誤信號控制所述聚焦激光的位置。
28. —種光學(xué)存儲系統(tǒng)，包括InGaAlN基激光器，所述激光器具有至少一個刻蝕腔面；光學(xué)發(fā)送器和成形器，所述光學(xué)發(fā)送器和成形器用于將來自所述激光器的輻射引導(dǎo)和聚焦到光學(xué)存儲介質(zhì)上；光學(xué)接收器，所述光學(xué)接收器用于接收來自所述光學(xué)存儲介質(zhì)的反射激光，并提供響應(yīng)于其的數(shù)據(jù)信號、以及表示與所述存儲介質(zhì)上的數(shù)據(jù)相關(guān)的聚焦激光的縱向和橫向位置的位置錯誤信號；致動器，所述致動器用于響應(yīng)于所述位置錯誤信號控制所述聚焦激光的位置；光學(xué)存儲磁盤介質(zhì)，所述光學(xué)存儲磁盤介質(zhì)具有多個位于所述磁盤介質(zhì)附近的 圓周定向的數(shù)據(jù)磁道；激光強(qiáng)度控制器；以及 所述數(shù)據(jù)信號的電子讀取裝置。
全文摘要
一種用于制造例如光存儲所需要的具有好的光學(xué)波陣面特性的激光器的方法和結(jié)構(gòu)，包括提供一種激光器，其中從激光器前腔面形成的輸出光束不被半導(dǎo)體薄片的邊緣所阻擋，來防止有害的光束畸變。半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)外延生長在基底上，且至少具有下熔覆層、激活層、上熔覆層和接觸層。穿過由光刻確定的掩模的干法刻蝕制造具有長度為l_c、寬度為b_m的激光器臺面。另一種光刻和刻蝕用于形成臺面頂部寬度為w的脊形結(jié)構(gòu)?？涛g步驟也在激光器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的末端形成鏡面或腔面。薄片的長度l_s和寬度b_s可以被選擇為等于或長于波導(dǎo)長度l_c和臺面寬度b_m的方便的數(shù)值。波導(dǎo)長度和寬度被選擇，以使對于給定的缺陷密度D，產(chǎn)率大于50％。
文檔編號G11B7/125GK101553962SQ200680039345
公開日2009年10月7日 申請日期2006年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者A·A·貝法, W·蘭斯 申請人:賓奧普迪克斯股份有限公司