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CN102610997A - 表面发射半导体激光器装置 - Google Patents

表面发射半导体激光器装置 Download PDF

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CN102610997A CN2012100207953A CN201210020795A CN102610997A CN 102610997 A CN102610997 A CN 102610997A CN 2012100207953 A CN2012100207953 A CN 2012100207953A CN 201210020795 A CN201210020795 A CN 201210020795A CN 102610997 A CN102610997 A CN 102610997A
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阿里桑德罗·斯塔诺
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Abstract

本发明涉及一种表面发射半导体激光器装置，其中，边缘发射激光器与衍射或折射透镜集成在同一半导体激光器装置上。提供了一种表面发射半导体激光器装置，包括：形成在布置于半导体衬底上的各个半导体材料层中的边缘发射激光器，在衬底上与形成边缘发射激光器的层横向相邻布置的聚合物材料，形成在聚合物材料的上表面内或上表面上的衍射或折射透镜，形成在聚合物材料的大致面向激光器的出射端面的倾斜侧反射器面上的侧反射器，布置在聚合物材料下方的衬底上的下反射器。激光穿出出射端面并在由侧反射器朝向下反射器反射之前传播通过聚合物材料。激光之后由下反射器朝向透镜再次反射，透镜将激光沿着衬底的上表面大致法向的方向引导到装置之外。

Description

表面发射半导体激光器装置
技术领域
本发明主要涉及半导体激光器装置，尤其涉及一种表面发射半导体激光器装置，在该装置中，边缘发射激光器与衍射或折射透镜一起集成在同一芯片上。
背景技术
半导体激光器通常被用在用于电信和数据通信网络的光学收发器中。用在这种光学收发器中的激光器通常是边缘发射型激光器。因为激光器发射的激光不是经聚焦或准直的，即，它在传播中会发散成圆锥形，所以光学收发器的边缘发射激光器通常由非球面透镜或其他分立光学元件耦合到光纤。虽然使用透镜将边缘发射激光器与光纤耦合在光学收发器中工作的相当的好，但还是希望能够通过使得收发器组成部分和在它们之间实现光学准直的伴随步骤的数目最小化来改善收发器的制造经济性。
用于光学收发器的边缘发射激光器在半导体晶片上使用标准光刻法和外延法制造，被切片为芯片，并且每个芯片的部分被涂上反射性和抗反射性涂层。成品芯片可以之后被测试。期望将制造步骤的数目最小化以及增强易测性。
已经提出了在相同芯片上结合衍射透镜和边缘发射激光器。例如，授权给Lo等人的美国专利No.6,459,716公开了一个装置，其中由边缘发射激光器产生的边缘发射光束被倾斜平面朝向较低反射性表面反射，该较低的反射性表面与光束发射方向以及芯片表面相平行，该较低的反射性表面转而沿着大致与芯片平面垂直的方向朝上反射光束。被朝上反射的光束之后穿过在芯片平面上的材料中所形成的衍射透镜而发射。与包括分离的透镜的收发器相比，具有这种装置的收发器可以被更经济地制造出来。然而，由于包括了将来自激光器的光束朝向倾斜平面引导的波导，该装置不能被直接制造出来。并且，装置的几何形状可能使其光学特性对镜片厚度的误差变得敏感。
垂直腔表面发射激光器(VCSEL)经常被终端用户所喜爱，这是由于它们在不需要提供光束形状校正的情况下与光纤高的结合效率，并因此降低了检测包装成本。然而，在对于特别高速的操作制造VCSEL时，仍然存在关于单模式输出控制的问题。
在工业界，已经努力将边缘发射装置转换为垂直发射装置。例如，美国专利No.7,245,645B2公开了以45°角蚀刻激光器面中的一者或两者，从而形成竖直地反射激光束的45°反射镜。然而，在这个方法中，45°反射镜是在激光器腔内部的。美国专利5,671,243公开了使用在激光器腔外部的传统90°激光器面，但是在同一芯片内，存在将光束转向表面方向的反射镜。然而，在激光器腔内或激光器腔外包括的蚀刻反射镜要求在制造过程中执行高质量的面蚀刻。尤其是当在高操作功率下实施干法蚀刻时，由于在干法蚀刻过程中可能发生面损伤，执行高质量蚀刻出现很重要的可靠性问题。
授权给本申请的受让人的美国专利No.7,450,621公开了克服了很多上述困难的解决方法。该专利公开了一种半导体装置，其中衍射透镜与边缘发射激光器集成在相同芯片上。该衍射透镜与边缘发射激光器一体地集成在磷化铟(InP)衬底材料上。把衍射透镜一体地集成在集成了边缘发射激光器的相同芯片上需要实施多重电子束光刻(EBL)曝光和干法蚀刻过程，这增加了装置的制造成本。
需要提供一种把边缘发射激光器与衍射或折射透镜集成的半导体装置，并且制造过程也很经济。
发明内容
本发明涉及边缘发射半导体激光器装置和用于制造该装置的方法。
本发明涉及表面发射半导体激光器装置以及制造该装置的方法。该装置包括：具有上表面和下表面的衬底；布置在衬底上的多个半导体层；形成在半导体层中用于产生具有激光发射波长的激光的边缘发射激光器；形成在多个半导体层中的沟道；布置在沟道中的聚合物材料；位于聚合物材料的上表面内或之上的折射或衍射透镜；位于聚合物材料的大致面向激光器的第二端面倾斜侧面上的侧反射器；以及位于衬底的上表面上的下反射器，该衬底的上表面大致位于聚合物材料的下表面下方并且大致面向聚合物材料的上表面。
在激光器工作期间，通过激光器的第二端面穿出的激光的一部分传递通过聚合物材料并且由侧反射器沿着大致朝向下反射器的方向反射。被反射的激光的至少一部分入射到下反射器上并且由下反射器沿着大致朝向折射或衍射透镜的方向再次反射。折射或衍射透镜接收被再次反射的激光的一部分并且使得所接收的部分被沿着衬底的上表面大致法向的方向引导到表面反射半导体激光器装置之外。
制造方法包括：在衬底上沉积或生长多个半导体激光器；在多个半导体层的一者或多者中，形成用于产生具有激光发射波长的激光的边缘发射激光器；在多个半导体层中形成沟道；将聚合物材料布置在沟道中；在聚合物材料的上表面内或之上形成折射或衍射透镜；将侧反射器布置在聚合物材料的、大致面向激光器的第二端面的倾斜侧面上；以及将下反射器布置在衬底的上表面上，衬底的上表面大致位于聚合物材料的下表面下方并且大致面向聚合物材料的上表面。
本发明的这些和其他特征以及优点将会通过以下描述、附图和权利要求变得清楚。
附图说明
图1描绘了根据本发明示例实施例的半导体激光器装置的俯视立体图。
图2是沿着图1的线A-A1取得的、图1中示出的半导体激光器装置的截面侧视图。
图3A-图3J一同描绘了可以被用来制造图1所示的半导体激光器装置的加工步骤的顺序。
图4描绘了图1中示出的半导体激光器装置的俯视平面图，其中p金属触点和n金属触点都定位在装置上侧。
图5描绘了在装置被配置为在装置的蚀刻激光器面上具有高反射性(HR)涂层的法布里-珀罗激光器装置的示例中，图1中所示半导体激光器装置的侧截面图。
图6描绘了在装置被配置为在装置的蚀刻的激光器面上具有抗反射(AR)涂层的分布反馈激光器装置的示例中，图1中所示半导体激光器装置的侧截面图。
具体实施方式
本发明涉及这样一种表面发射半导体激光器装置：在该装置中，由半导体材料形成的边缘发射激光器和由聚合物材料形成的衍射或折射透镜一起被集成在半导体激光器装置中。该装置包括：由布置在半导体衬底上所的多层半导体材料形成的边缘发射激光器，布置在衬底上与形成边缘发射激光器的层横向相邻的聚合物材料，在聚合物材料的上表面中或上表面上形成的衍射或折射透镜，形成在聚合物材料的大致与边缘发射激光器的出射端面相对的倾斜侧反射器面上的侧反射器，布置在聚合物材料下方的衬底上的下反射器。在聚合物材料中形成衍射或折射透镜以及侧反射器(而不是一体地在半导体材料中)消除了使用上述EBL曝光和蚀刻步骤来制造这些元件的需要。进而，消除了使用上述EBL曝光和蚀刻步骤来制造这些元件的需要会极大地降低制造成本，而不会降低可靠性或性能。
图1描绘了在p金属和n金属触点形成在装置1上之前以及抗反射(AR)和/或高反射(HR)涂层形成在装置1上之前，根据本发明示例实施例的半导体激光器装置1的侧视图。图2描绘了在p金属和n金属触点以及抗反射(AR)和/或高反射(HR)涂层形成在装置1上之后，沿着图1中线A-A1取得的图1所示半导体激光器装置1的部分截面侧视图。现在参照图1和图2描述根据图示实施例的半导体激光器装置1。
如图1(没有按比例)所示，在本发明的图示或示例实施例中，激光器半导体装置1包括：半导体衬底2、布置在衬底2上表面上的缓冲层3、由布置在缓冲层3上的一个或多个有源层5形成的边缘发射激光器4、布置在衬底2的上表面上并与形成有激光器4的缓冲层3和有源层5横向相邻的聚合物材料10、形成在聚合物材料10的上表面10a中或上表面10a上的衍射或反射透镜12、聚合物材料10的倾斜侧反射面10b。
制作半导体衬底2的材料例如可以是掺杂磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)。例如，假设半导体衬底2由InP制成。同样假设缓冲层3由n型InP制成。有源层5包括在缓冲层3上经由称为选择性区域增长(SAG)的工艺而生长的多量子阱(MQW)有源区域。一个或多个p型InP分隔层、填充层以及包层(为了清楚而未示出)通常被生长在MQW有源层5的上面。为了清楚和易于描述，这些其他层并没有在附图中示出。本领域技术人员明白可以将这些附加层包括在装置1中。
参照图2，p金属触点13形成在装置1的位于有源层5上方的最上层之上。n金属触点14被形成在衬底2的下表面上。根据装置1被配置为法布里-珀罗(F-P)激光器装置还是分布反馈(DFB)激光器装置，涂层15(分别是HR涂层或者AR涂层)被形成在边缘发射激光器4的端面上。如本领域中公知的，边缘发射激光器4典型的是屋脊(ridge)结构，如反平顶(reverse-mesa)屋脊结构。在美国专利No.7,539,228中讨论了可以被用来形成这种屋脊结构的方法的细节，该专利被受让给本申请的受让人并且通过引用将其全部结合在这里。如该专利所公开的，该屋脊结构可以使用在本发明背景技术部分中所描述的传统技术来蚀刻，或者使用在该专利的细节描述中所描述的技术来生长。
形成上述侧反射器的HR涂层20被形成在聚合物材料10的倾斜侧反射器面10b上。形成上述下反射器的金属反射器30被布置在大致位于聚合物材料10之下的衬底2的上表面上。衍射或反射透镜12可以以已知技术或使用例如那些在美国专利No.7,450,621中所描述的技术而形成于聚合物材料10的上表面10a内或该表面10a上，该专利被受让给本申请的受让人并且通过引用将其全部结合在这里。透镜12可以是折射光学元件、衍射光学元件、或者组合了折射和衍射特性的光学元件。在聚合物材料10中为此目的而产生适当的折射和/或衍射光学元件的方式被本领域技术人员所熟知。
在操作过程中，边缘发射激光器4发射大致沿着与衬底2的平面相平行的轴的光束。激光束穿出激光器4的出射面，并进入对激光发射波长透明的聚合物10。激光光束之后被聚合物10的形成在倾斜侧反射器面10b上的侧反射器20沿着大致朝向下反射器30的方向反射。光束被下反射器30(该反射器一般是金属反射镜)再次沿着大致朝向上表面10a的方向反射，在上表面10a处，光束被透镜12收集并校准。因此，光束从装置1中出射，被定向为沿着与聚合物材料10的上表面10a大致垂直的轴线，即，大致垂直于装置1的上表面。因为这个原因，装置1可以被称作为“表面发射”装置。
图3A-图3J描绘了可以被用来制造如图1和图2所示的半导体激光器装置1的一系列制造步骤的示例。可以使用传统技术来制造装置1。虽然在图3A-图3J示出了用于制造具有聚合物透镜的屋脊结构激光器的示例性或示意性步骤，但是在这些图中所描绘的步骤的顺序在这里仅用作为示意的目的，并且这些步骤可以以任何其他恰当的顺序来实施。此外，如本领域的技术人员容易理解的，可以包括通常用来制造这种装置的典型附加的步骤。
图3A-图3F是在制造过程中的不同阶段时图1中示出的装置1的俯视立体图，在该制造过程中，在装置1中形成沟道40和屋脊结构50。图3G是在HR或AR涂层(分别取决于装置1被构造为F-P激光器装置还是DFB激光器装置)被涂覆之后，装置1在如图3F所示的加工阶段的侧平面视图。图3H是在HR或AR涂层15的部分被移除以分别形成p金属和n金属触点13和14之后并且下反射器30被沉积在沟道40的一部分中之后，图3G中示出的装置1的俯视立体图。图3I是在聚合物材料10已经被沉积在沟道40内并定型之后，图3H中示出的装置1的俯视立体图。图3J是在衍射或反射透镜12被形成在聚合物材料10的上表面10a之内或之上之后，图3I中示出的装置1的俯视立体图。将会参照图3A-3J描述制造步骤。
图1和图2以及图3A-图3J中的类似附图标记被用来指示类似的元件或特征。参照图3A，第一电介质膜35(其通常但是不必须是二氧化硅(SiO2)膜)被沉积在有源层5(图1)之上，或沉积在位于有源层5上方的任何层(例如，填充层、包覆层等)之上。使用传统光蚀刻和干法蚀刻技术将用来定义屋脊结构的位置和配置的屋脊掩模图案36形成在电介质膜35中。参照图3B，第二电介质膜37((其通常但是不必须是SiO2膜)被沉积在屋脊掩模图案36上并且受到传统光蚀刻和干法蚀刻技术，以形成将随后被用来限定沟道的沟道掩模图案38。参照图3C，通常通过使用电感耦合等离子(ICP)蚀刻工艺来对图3B中示出的装置1进行蚀刻，以形成沟道40。为此目的使用ICP蚀刻工艺的优点是：在对于限定沟道40的垂直侧面保持良好的垂直侧壁轮廓的同时，对于与蚀刻区域相邻的层引起的损伤非常轻微。
参照图3D，通过使用反应离子蚀刻(RIE)步骤而移除了如图3C所示的沟道掩模图案38，仅留下图3A中所示的屋脊掩模图案36和图3C中所示的沟道40。参照图3E，之后使用RIE或ICP来形成屋脊结构50，而不需要进一步光刻对准的情况下。参照图3F，被蚀刻的屋脊掩模图案36随后被移除以使得屋脊50暴露出来。
参照图3G中示出的侧视图，装置1被涂覆有HE或AR涂层15(图2)。通常，同时在晶片(为了说明的清晰而未示出)上加工出成百上千的装置1，在这情况下，整个晶片可以被涂覆有HR或AR涂层15。这与在晶片被锯开并且分离成独立的装置1之后再涂覆HR或AR涂层的标准步骤相反。参照图3H，HR或AR涂层15被蚀刻以移除涂层15的不需要的部分，使得涂层15的所保留的部分仅为p金属触点13(图2)。金属层30随后被沉积在沟道40内来形成下反射器30(图2)。
参照图3I，在下反射器30被形成在沟道40内之后，沟道40被聚合物材料10填充。参照图3J，衍射或折射透镜12(图1和图2)以及倾斜面10b被通过标准的光蚀刻/蚀刻技术或者压印技术形成在聚合物材料10中或之上，后一种技术使用了具有形状的主掩模(为了清晰的目的而并未示出)，该形状与具有形成在其上的透镜12和倾斜面10b的聚合物材料10的期望形状互补。压印技术是优选的，因为它是允许与关于制造装置1的总成本极大地减小的一种低成本制造技术。在已经在聚合物材料10中形成透镜12和倾斜面10b之后，如图3J所示，通常为HR涂层的侧反射器20(图2)被形成在倾斜面10b上。为了清楚的目的，侧反射器20在图3J中没有被示出。
图4描绘了图2中示出的装置的平面图，除了p金属和n金属触点13、14都形成在装置1的顶侧上(即，在有源层5以上的最上层(图2)上)之外。这与图2中所示的p金属触点13被布置在装置1的最上层上并且n金属触点14被布置在衬底2的下表面上的构造不同。图4仅仅是可以对于图2中示出的装置1进行的许多可能修改中的一个示例。本领域技术人员会理解在没有背离本发明范围的情况下对于装置1进行这些和其他多种修改。
如上所述，装置1可以被配置为F-B半导体激光器装置或DFB半导体激光器装置。图5和图6分别描绘了被构造成F-P半导体激光器装置110和DFB半导体激光器装置120的装置1的侧截面图。F-P半导体激光器装置110可以与图1和图2中所示的装置1完全相同。F-P半导体激光器装置110在激光器端面上具有HR涂岑该5a。F-P激光器本身可以是屋脊结构4，正如上面参照图1和图2所描绘的实施例中那样。DFB半导体激光器装置120可以与图1和图2中所示的装置1完全相同，除了它不结合屋脊结构4而是采用埋入式衍射光栅115之外。在DFB半导体激光器装置120中，AR涂层15b可以被用在激光器端面上。
为了描述本发明的原理和概念，已经参照一些示意性和示例性实施例来描述了本发明。但是，正如本领域技术人员阅读这些描述之后所理解的，本发明不仅限于这些实施例。例如，虽然装置1、110和120的衬底2和其它层已经被描述为使用InP来制造，但是衬底2和其他层可以包含任何其他合适的材料，例如GaAs、镓化铝(AlGa)、砷化铟镓化铝(AlGaInAs)等。此外，各种其他金属构造也可以被用于p金属和n金属触点。激光器操作可以是单横模或者多模操作(图5)，或者是纵向单模操作(图6)，或者是其他结合的操作装置(例如，调制器、放大器、导波器等)的组合。本领域技术人员可以理解可以对于这里描述的实施例进行各种修改，并且本发明意图包括全部这种修改和改变。

Claims (18)

1.一种表面发射半导体激光器装置，包括：
衬底，具有上表面和下表面；
多个半导体层，至少包括最下层和最上层，其中，所述最下层被布置在所述衬底的上表面上，所述多个半导体层中形成有边缘发射激光器，以在该激光器被激活时产生具有激光发射波长的激光，所述激光器具有第一端面和第二端面，其中，在所述激光器被激活时，具有所述激光发射波长的激光通过所述第二端面从所述激光器出来；
形成在所述多个半导体层中的沟道；
布置在所述沟道中的聚合物材料，所述聚合物材料至少包括上表面、下表面和倾斜侧面；
折射或衍射透镜，位于所述聚合物材料的上表面中或上表面上；
侧反射器，位于所述聚合物材料的倾斜侧面上，所述倾斜侧面大致面向所述激光器的第二端面；以及
下反射器，位于所述衬底的上表面上，所述衬底的上表面大致位于所述聚合物材料的下表面下方并且大致面向所述聚合物材料的上表面，其中，通过所述激光器的第二端面出来的激光的至少一部分经过所述聚合物材料传播并且由所述侧反射器沿着大致朝向所述下反射器的方向反射，并且其中，被反射的激光的至少一部分入射到所述下反射器上并且由所述下反射器沿着大致朝向所述折射或衍射透镜的方向再次反射，并且其中，所述折射或衍射透镜接收被再次反射的激光的至少一部分并且使得所接收的部分被沿着所述衬底的上表面大致法向的方向引导到所述表面发射半导体激光器装置之外。
2.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器装置，其中，所述折射或衍射透镜是折射透镜。
3.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器装置，其中，所述折射或衍射透镜是衍射透镜。
4.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器装置，其中，所述折射或衍射透镜是组合了折射和衍射特性的透镜。
5.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器装置，其中，所述边缘发射激光器包括屋脊结构，所述屋脊结构是通过经过所述多个半导体层的至少一部分进行蚀刻而形成的。
6.根据权利要求5所述的表面发射半导体激光器装置，其中，所述边缘发射激光器是法布里-珀罗(F-P)激光器。
7.根据权利要求6所述的表面发射半导体激光器装置，还包括：
布置在所述第一端面和所述第二端面上的高反射性(HR)涂层。
8.根据权利要求1所述的表面发射半导体激光器装置，其中，所述边缘发射激光器包括埋入衍射光栅，所述埋入衍射光栅形成在所述多个半导体层的一个层或多个层中。
9.根据权利要求8所述的表面发射半导体激光器装置，其中，所述边缘发射激光器是分布反馈(DFB)激光器。
10.根据权利要求6所述的表面发射半导体激光器装置，还包括：
布置在所述第一端面和所述第二端面上的抗反射(AR)涂层。
11.一种制造表面发射半导体激光器装置的方法，所述方法包括：
在衬底上沉积或生长多个半导体层，所述多个半导体层至少包括最下层和最上层，其中，所述最下层被布置在所述衬底的上表面上；
在所述多个半导体层的一个层或多个层中形成边缘发射激光器，所述边缘发射激光器用于产生具有激光发射波长的激光，所述激光器具有第一端面和第二端面，其中，如果所述激光器被激活，则由所述激光器产生的激光通过所述第二端面从所述激光器出来；
在所述多个半导体层中形成沟道；
将聚合物材料布置在所述沟道中，所述聚合物材料至少包括上表面、下表面和倾斜侧面；
在所述聚合物材料的上表面内或上表面上形成折射或衍射透镜；
将侧反射器布置在所述聚合物材料的倾斜侧面上，所述倾斜侧面大致面向所述激光器的第二端面；以及
将下反射器布置在所述衬底的上表面上，所述衬底的上表面大致位于所述聚合物材料的下表面下方并且大致面向所述聚合物材料的上表面。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述折射或衍射透镜是折射透镜。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述折射或衍射透镜是衍射透镜。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述折射或衍射透镜是组合了折射和衍射特性的透镜。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在所述第一端面和所述第二端面上的形成高反射性(HR)涂层，并且其中，所述边缘发射激光器包括通过经过所述多个半导体层的至少一部分进行蚀刻而形成的屋脊结构。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述边缘发射激光器是法布里-珀罗(F-P)激光器。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在所述第一端面和所述第二端面上形成抗反射(AR)涂层，其中，所述边缘发射激光器包括形成在所述多个半导体层的一个层或多个层中的埋入衍射光栅。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述边缘发射激光器是分布反馈(DFB)激光器。
CN201210020795.3A 2011-01-18 2012-01-18 表面发射半导体激光器装置 Active CN102610997B (zh)

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