專利名稱：：空間濾光片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本申請(qǐng)要求2005年6月1日提交的臨時(shí)申請(qǐng)第60/685,883號(hào)的權(quán)益，這里結(jié)合其揭示作為參考。本發(fā)明一般涉及光子器件，尤其涉及用于制造光子器件的改進(jìn)的激光裝置和方法。
背景技術(shù)：
：在獲得低成本的單橫向模式半導(dǎo)體激光器中的一個(gè)余留問(wèn)題是控制橫向光束在激光腔中的傳播以致在電流和溫度的較寬范圍上只允許單橫向模式操作。成功地解決這個(gè)問(wèn)題的一類激光器是掩埋式異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光器，這個(gè)成功是以需要在初始制定模式之后再生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料為代價(jià)的。脊型狀激光器(ridgelaser)己經(jīng)排除了對(duì)于這種再生長(zhǎng)的需求，然而，在仍允許單橫向模式性能的同時(shí)，對(duì)于可以蝕刻的脊型的寬度和深度上有一些限制。通常通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(M0CVD)或分子束外延法(MBE)在襯底上生長(zhǎng)合適的分層式半導(dǎo)體材料以形成與襯底表面平行的活性層來(lái)制造半導(dǎo)體激光器，或固態(tài)激光器。然后用多種半導(dǎo)體處理工具來(lái)處理材料以制造結(jié)合活性層和結(jié)合附加到半導(dǎo)體材料上的金屬接觸的半導(dǎo)體腔。一般通過(guò)劈開(kāi)半導(dǎo)體材料以確定激光光學(xué)腔的邊緣或末端而在激光腔的末端處形成激光器鏡子刻面以致當(dāng)在接觸上施加偏置電壓時(shí)，通過(guò)活性層產(chǎn)生的電流導(dǎo)致在與電流垂直的方向上從活性層的刻面邊緣發(fā)射出光子。由于把晶片劈開(kāi)成條狀以形成激光刻面，所以不能使用傳統(tǒng)的光刻法技術(shù)來(lái)進(jìn)一步加工激光器。美國(guó)專利4，851，368中克服了在半導(dǎo)體工藝由于需要劈開(kāi)激光器刻面而遇到的問(wèn)題，該專利揭示了一種工藝，該工藝用于通過(guò)蝕刻來(lái)形成半導(dǎo)體激光器的鏡子刻面，允許激光器與其它光子器件統(tǒng)一地集成在同一襯底上。這個(gè)工作進(jìn)一步演化，并且在"MonolithicAlGaAs-GaAsSingleQuantum-WellRidgeLasersFabricatedwithDry—EtchedFacetsandRidges"(IEEEJournalofQuantumElectronics,28巻，第5期，1227-1231頁(yè)，1992年5月)中揭示了基于經(jīng)蝕刻的刻面制造脊型激光器工藝的過(guò)程。描述了高可靠性經(jīng)蝕刻的刻面光子器件的、題為"HighReliabilityEtched-FacetPhotonicDevices"(代理記錄BIN-20)的、2006年2月17日提交的、Alex.A.Behfar的美國(guó)專利申請(qǐng)第11/356，203號(hào)中進(jìn)一步改進(jìn)了這些工藝。然而，對(duì)制造諸如激光器之類的光子器件工藝有需求，該工藝無(wú)需半導(dǎo)體材料再生長(zhǎng)，同時(shí)除了脊型的蝕刻深度和寬度之外提供激光輸出的空間橫向控制，這種激光器是極需要的。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，提供了用于制造經(jīng)蝕刻的刻面半導(dǎo)體光子器件的改進(jìn)的工藝和方法，其中，首先對(duì)器件刻面之一進(jìn)行防反射涂敷(AR)，然后以空間上受控的方式施加反射率修改涂層，以便允許制造單橫向模式激光器。在本發(fā)明一個(gè)較佳方面，反射率修改涂層是用作空間濾光片的多層涂層，從而允許刻面的特定區(qū)域控制激光器的橫向模式的空間性能?？臻g濾光片的位置、大小和形狀確定激光束的形狀。從下述較佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明連同附圖，本發(fā)明的上述的和/或另外的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員將變得顯而易見(jiàn)，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明較佳模式的、結(jié)合防反射涂層以提供用于控制激光器的橫向模式的空間濾光片的、半導(dǎo)體經(jīng)蝕刻的刻面激光器的概略透視圖2(a和b)到8(a和b)概略地示出用于制造圖1的經(jīng)蝕刻的刻面激光器的制造步驟。圖2(a)到圖8(a)是在圖1的箭頭A-A方向看到的截面圖，而圖2(b)到圖8(b)是在圖1的箭頭B-B方向看到的截面圖9是在應(yīng)用空間濾光片之前和之后光輸出對(duì)激光器電流特性的曲線圖示；以及圖10和11是本發(fā)明第二實(shí)施例的概略側(cè)視圖和頂視圖，示出具有空間濾光片的表面發(fā)射激光器。具體實(shí)施例方式本發(fā)明克服了半導(dǎo)體激光器中控制空間光束性能的問(wèn)題，其中圖1中示出具有根據(jù)本發(fā)明的空間濾光片12的脊型激光器10。使用現(xiàn)在要參考的、在圖2(a和b)到圖8(a和b)中概略地示出的制造工藝，在襯底或芯片14上制造該激光器。雖然本發(fā)明從諸如圖1所示的脊型激光器方面來(lái)描述本發(fā)明，但是要理解，可以結(jié)合這里描述的空間濾光片來(lái)制造其它類型的激光器。如傳統(tǒng)那樣，例如，可以用經(jīng)適當(dāng)?shù)負(fù)诫s的III-V型化合物或其合金來(lái)形成襯底14。通過(guò)諸如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(M0CVD)或分子束外延法(MBE)之類的已知外延沉積工藝在該襯底的上表面上沉積用于形成諸如光波導(dǎo)18之類的光子器件的一連串的層，所述光波導(dǎo)18包括活性區(qū)域20，如圖1和圖2(a)和2(b)所示。圖2(a)到8(a)的左邊是沿圖1的線A-A取得的波導(dǎo)的橫截面圖，而圖2(b)到8(b)的右邊是從圖1的箭頭B-B方向看到的沿線B-B取得的波導(dǎo)的橫截面圖。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，例如，半導(dǎo)體光子器件18可以是在InP襯底14上用外延法形成的激光器。光子器件結(jié)構(gòu)一般包含上和下包層區(qū)域22和24，它們是由諸如InP之類的、所具有的折射率低于活性區(qū)域20的折射率的半導(dǎo)體材料形成的。這些包層區(qū)域與活性區(qū)域相鄰，所述活性區(qū)域可以用基于AlInGaAs的量子阱和壁壘(barrier)來(lái)形成，設(shè)計(jì)成當(dāng)向激光器施加能量時(shí)發(fā)射波長(zhǎng)為1310nm的光。提供InGaAs頂部遮蓋層(未示出)以允許歐姆接觸。雖然這里給出的例子是基于InP襯底上的單元件激光器件，但是可以理解，可以制造具有活性區(qū)域的其它光子器件，并且可以在諸如GaAs和GaN等其它襯底上形成這些器件。通過(guò)如圖2(a和b)所示的等離子體增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積法(PECVD)在用外延法生長(zhǎng)的激光器結(jié)構(gòu)18上沉積200nm厚的Si02層30。例如，執(zhí)行定義光刻膠層中的激光器體和刻面的第一光刻法步驟(未示出)，并且把光刻膠圖案轉(zhuǎn)移到下面的Si02層30，按己知的方式，使用反應(yīng)離子蝕刻(RIE)以形成Si02圖案。在通過(guò)氧氣等離子體除去光刻膠之后，把Si02圖案轉(zhuǎn)移到光子器件結(jié)構(gòu)18上，使用化學(xué)輔助離子束蝕刻(CAIBE)以形成圖2(a)和2(b)所示的激光器體32和刻面34和36。如圖3(a)和3(b)所示，執(zhí)行第二光刻膠光刻法以產(chǎn)生定義襯底上一個(gè)或多個(gè)脊的圖案，并且使用RIE把光刻膠圖案轉(zhuǎn)移到PECVDSi02層。在用氧氣等離子體除去光刻膠之后，在激光器結(jié)構(gòu)中使用CAIBE來(lái)形成脊，諸如脊40。在一個(gè)例子中，脊的寬度是3.2um。在形成圖3(a)和3(b)所示的脊之后，使用PECVD沉積120nm厚的Si02的鈍化層42，以覆蓋包括光子器件的整個(gè)襯底。這在圖4(a)和4(b)中以單個(gè)脊40示出。執(zhí)行在光子結(jié)構(gòu)上定義p—接觸開(kāi)口的第三光刻法，并且使用RIE來(lái)打開(kāi)Si02層中的接觸孔44。然后使用氧氣等離子體來(lái)除去光刻膠，如圖5(a)和5(b)所示。然后執(zhí)行用于P—接觸鍍金屬法的光刻法，并且使用電子束蒸發(fā)器來(lái)蒸發(fā)P—接觸金屬50。在卸除所鍍金屬中不需要的部分之后，定義用于器件的p—接觸，如圖6(a)和6(b)所示。還使用電子束蒸發(fā)在襯底的背面54上蒸發(fā)用于激光器的n—接觸52。可以理解，可以對(duì)在襯底上制造的每個(gè)光子器件提供相應(yīng)的接觸。還可以理解，可以使用與定義P—接觸所使用的相似步驟在襯底的頂部表面上沉積n—接觸。如圖7(a)和7(b)所示，通過(guò)卸除圖案的光刻法、Al203的蒸發(fā)以及卸除，在刻面中之一上，例如，刻面34上，沉積120nm厚的A1A層60。所述層60本質(zhì)上是形成在激光器刻面34上的、反射率小于4%的防反射(AR)層。激光器發(fā)射額定波長(zhǎng)為1310nm的激光。使用用于定義卸除圖案的光刻法，材料的蒸發(fā)和卸除，形成空間濾光片，或反射器12，如圖8(a)和8(b)所示。濾光片12可以結(jié)合多層，在一個(gè)例子中，它包括三層，如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>為附圖中所示的單個(gè)激光元件而形成的空間濾光片12的反射率要比它所沉積其上的表面60的反射率高，以致從空間濾光片反射的光的百分比要大于從其余表面反射的光的百分比。這允許由空間濾光片12的二維(高度和寬度)形狀確定的單個(gè)元件激光器的有優(yōu)勢(shì)的激光發(fā)射。在沉積空間濾光片之前，刻面34表面上AR涂層60的使用允許刻面具有較小的反射率，并且這使二維空間濾光片12的反射率和刻面的其余AR涂層表面的反射率之間產(chǎn)生較大的差異。反射率的差異導(dǎo)致空間濾光片的較大影響。雖然單個(gè)元件激光器需要高反射率空間濾光片以使穩(wěn)定的空間模式性能成為可能，但是其它光子器件也可能從低反射率空間濾光片、二維有圖案的空間濾光片或二維有不連續(xù)圖案的空間濾光片得益。雖然描述了在激光器兩個(gè)刻面中的一個(gè)刻面上應(yīng)用AR涂層和空間濾光片，但是在某些情況中，為了更強(qiáng)的空間光束形狀控制，要求在兩個(gè)刻面上都有AR涂層和空間濾光片。在GaN紫一藍(lán)發(fā)射激光器的情況中，使用適合于這些波長(zhǎng)的材料以修改反射率，不管是AR或高反射率空間濾光片。雖然在上述工藝中，在AR膜和空間濾光片沉積之前蒸發(fā)激光器的n—接觸52，但是也可以在這些執(zhí)行步驟之后進(jìn)行蒸發(fā)。在說(shuō)描述的例子中，在AR層和空間濾光片之前蒸發(fā)n—接觸的原因在于允許之前和之后的所給定激光器的分析。通常，如果激光器工作在單橫向模式中，則光對(duì)電流(L一I)特性示出沒(méi)有任何彎折的一個(gè)恒定的斜率。然而，如果激光器允許一個(gè)以上的橫向模式，則如圖9的曲線中下面的曲線70所示，L-I特性會(huì)有彎折。對(duì)于該具有3.2um的脊寬度的激光器，空間濾光片12的寬度是2.2um，并且它產(chǎn)生更為線性的曲線72。圖9中L一I曲線離開(kāi)直線的偏差表示這是由超過(guò)單橫向模式的一個(gè)模式發(fā)動(dòng)的。如所述，引入空間濾光片允許只能在6mW以下的單橫向模式中工作的激光器能夠在高達(dá)12mW的單橫向模式中工作。在2004年10月5日提交的、美國(guó)專利申請(qǐng)10/958，069(代理記錄BIN15)以及2004年10月14日提交的10/963，739(代理記錄BIN19)中描述了在圖10和11中示出的水平腔表面一發(fā)射激光器(HCSEL),這里結(jié)合其揭示作為參考。用有角度的刻面82來(lái)形成HCSEL，該刻面具有約45度的角度，使活性區(qū)域84中產(chǎn)生的激光在與制造激光器的襯底的平面垂直的方向上向上(或向下)反射?？梢允勾嫫奖砻娴挠型哥R的表面位于45度經(jīng)蝕刻的刻面之上，以補(bǔ)償發(fā)散性。在覆蓋HCSEL的頂部表面的AR涂層88上沉積空間濾光片86，以致修改和操縱了輸出光束90的空間性能。圖IO示出HCSEL80的橫截面圖，該HCSEL80具有AR涂層88，隨后是反射率約為85%的空間濾光片86。圖11示出同一激光器的頂視圖，其中首先施加AR涂層88，接著施加空間濾光片90，它影響從HCSEL形成的光束形狀。雖然已經(jīng)通過(guò)各個(gè)較佳實(shí)施例示出了本發(fā)明，但是可以理解，可以作出變動(dòng)和修改而不偏離由下述權(quán)利要求書闡明的本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍。權(quán)利要求1.一種光子器件，包括襯底；包括活性層的外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；在所述結(jié)構(gòu)中制造的經(jīng)蝕刻的刻面；以及沉積在所述經(jīng)蝕刻的刻面上的空間濾光片。2.如權(quán)利要求1所述的光子器件，其特征在于，所述空間濾光片包括多層材料。3.如權(quán)利要求1所述的光子器件，其特征在于，還包括在所述刻面和所述空間濾光片之間的所述刻面上的AR涂層。4.一種光子器件，包括襯底；在所述襯底上的外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括活性層；在所述結(jié)構(gòu)末端處的經(jīng)蝕刻的刻面；在所述刻面上的防反射涂層；以及在所述涂層上的空間濾光片。5.如權(quán)利要求4所述的光子器件，其特征在于，所述AR涂層包括在所述刻面上的電介質(zhì)涂層，以及其中所述空間濾光片包括在所述AR涂層上的多層沉積材料。6.如權(quán)利要求5所述的光子器件，其特征在于，還包括電接觸，所述電接觸用于把電流提供給所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，以使光在所述結(jié)構(gòu)中傳播且至少部分地從所述刻面發(fā)出。7.如權(quán)利要求6所述的光子器件，其特征在于，所述空間濾光片位于所述刻面上，以使所述發(fā)出的光定形。8.如權(quán)利要求5所述的光子器件，其特征在于，所述空間濾光片是反射率修改涂層。9.如權(quán)利要求8所述的光子器件，其特征在于，所述空間濾光片被定形為用于修改從所述光子器件發(fā)出的光的形狀。10.—種用于制造能夠發(fā)射光束的單橫向模式半導(dǎo)體光子器件的方法，包括在所述光子器件的經(jīng)蝕刻的刻面上沉積防反射涂層；以及以空間上受到控制的方式在所述防反射涂層上沉積反射率修改涂層，以修改所述光子器件發(fā)射的光束的空間性能。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在空間上控制所述反射率涂層包括用光刻法控制所述涂層在所述防反射涂層上的涂布過(guò)程。12.—種光子器件，包括襯底；包括活性層的外延半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；在所述結(jié)構(gòu)中制造的有角度的、經(jīng)蝕刻的刻面；以及在所述有角度的、經(jīng)蝕刻的刻面上的一平面上沉積的空間濾光片。13.如權(quán)利要求12所述的光子器件，其特征在于，所述空間濾光片包括多層材料。14.如權(quán)利要求12所述的光子器件，其特征在于，還包括在所述表面和所述空間濾光片之間的所述表面上的AR涂層。15.如權(quán)利要求12所述的光子器件，其特征在于，所述表面是透鏡的表面。全文摘要一種經(jīng)蝕刻的刻面單橫向模式半導(dǎo)體光子器件，它是通過(guò)在經(jīng)蝕刻的刻面上沉積防反射涂層并以空間上受控制的方式沉積反射率修改涂層以修改所發(fā)射的光束的空間性能而制造的。文檔編號(hào)H01S5/00GK101189768SQ200680019622公開(kāi)日2008年5月28日申請(qǐng)日期2006年6月1日優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日發(fā)明者A·A·彼法,A·T·舒瑞莫申請(qǐng)人:賓奧普迪克斯股份有限公司