光电设备制造技术

本实用新型专利技术题为“具有改善的光学和电限制的垂直腔面发射半导体激光器”。本实用新型专利技术提供了一种光电设备(40)，所述光电设备(40)包括具有第一组外延层的半导体基板(42)，所述第一组外延层形成在所述基板的区域上，从而限定下分布布拉格反射器(DBR)叠堆(44)。形成在所述第一组之上的第二组外延层限定量子阱结构(46)，并且形成在所述第二组之上的第三组外延层限定上部DBR叠堆(48)。至少所述第三组外延层容纳在台面(88)中，所述台面(88)具有垂直于所述外延层的侧面。电介质涂层(94)在容纳所述第三组外延层的所述台面的至少一部分的所述侧面之上延伸。电极(54)耦接到所述外延层以便将激发电流施加至所述量子阱结构。

【技术实现步骤摘要】
光电设备
本技术整体涉及半导体设备，并且具体地涉及光电设备及其制造。
技术介绍
垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)为半导体激光器，其中在垂直于基板的方向上从激光器的顶部或底部发出高度定向的激光辐射。VCSEL被制造成单个激光器或激光器阵列，并且它们能够具有高发射功率。
技术实现思路
下文描述的本技术的实施方案提供了用于制造VCSEL的改进方法以及通过此类方法制成的VCSEL。因此，根据本技术的一个实施方案，提供了一种光电设备，该光电设备包括半导体基板与第一组外延层，该第一组外延层形成在该基板的区域上，从而限定下分布布拉格反射器(DBR)叠堆。第二组外延层形成在第一组之上，从而限定量子阱结构，并且第三组外延层形成在第二组之上，从而限定上部DBR叠堆。至少第三组外延层容纳在台面中，该台面具有垂直于外延层的侧面。电介质涂层在容纳第三组外延层的该台面的至少一部分的侧面之上延伸。将电极耦接到外延层以便将激发电流施加至量子阱结构。在一些实施方案中，电介质涂层不在台面的上表面之上延伸。除此之外或另选地，该设备包括形成于第三组外延层内的限制层。限制层包括中心部分和外围部分，该中心部分包含半导体材料，该外围部分围绕中心部分并包含电介质材料。在一个实施方案中，电介质涂层从台面的上表面向下延伸至限制层。除此之外或另选地，半导体材料包括AlxGa1-xAs，其中x不超过0.92。除此之外或另选地，限制层的厚度超过50nm。在公开的实施方案中，电介质材料的折射率不超过1.6。在一个实施方案中，电介质材料包括二氧化硅(SiO2)。在另一种修改形式中，外围部分包括密封腔。根据本技术的一个实施方案，还提供了一种光电设备，该光电设备包括半导体基板与第一组外延层，该第一组外延层形成在基板的区域上，从而限定下分布布拉格反射器(DBR)叠堆。第二组外延层形成在第一组之上，从而限定量子阱结构，并且第三组外延层形成在第二组之上，从而限定上部DBR叠堆。限制层形成于第三组外延层内，并且包括中心部分和外围部分，该中心部分容纳于台面下方并且包含半导体材料，该外围部分围绕中心部分并且包含具有不超过1.6的折射率的电介质材料。将电极耦接到外延层以便将激发电流施加至量子阱结构。根据本技术的一个实施方案，还提供了一种用于制造光电设备的方法。该方法包括将第一组外延层沉积于半导体基板的区域上，以限定下分布布拉格反射器(DBR)叠堆。将第二组外延层沉积于第一组之上，从而限定量子阱结构。将第三组外延层沉积于第二组之上，从而限定上部DBR叠堆，并且使包含半导体材料的限制层包括在上部DBR叠堆内。蚀刻第三组外延层以限定台面，该台面具有垂直于外延层并且从上部DBR叠堆的上表面向下延伸至限制层的侧面。用电介质涂层涂覆台面的侧面。在涂覆台面的侧面后，对限制层进行处理，以便将限制层的外围部分转变为电介质材料，同时使半导体材料保留在限制层的中心部分，该中心部分被外围部分围绕。将电极耦接到外延层以便将激发电流施加至量子阱结构。在一个公开的实施方案中，转变外围部分包括：蚀刻外围部分以便在台面下方形成腔；以及将电介质材料的适形涂层施加至腔。在另一个实施方案中，转变外围部分包括：蚀刻外围部分以便在台面下方形成腔；以及将电介质材料的非适形涂层施加至光电设备以便用电介质材料密封该腔的入口，从而保留填充有气体的腔。结合附图，从下文中对本技术的实施方案的详细描述将更完全地理解本技术，在附图中：附图说明图1为根据本技术的一个实施方案例示性地示出用于制造VCSEL的方法的流程图；图2为根据本技术的一个实施方案的沉积步骤之后的VCSEL的例示性截面图；图3A为根据本技术的一个实施方案的局部p-DBR叠堆的例示性截面图；图3B为根据本技术的一个实施方案示出受控的台面蚀刻工艺的工艺参数；图4为根据本技术的一个实施方案的在台面蚀刻步骤之后的VCSEL的例示性截面图；图5A-5B为根据本技术的一个实施方案的在涂覆步骤之后的VCSEL的例示性截面图；图6为根据本技术的一个实施方案的在氧化步骤之后的VCSEL的例示性截面图；图7为根据本技术的一个实施方案的在腔蚀刻步骤之后的VCSEL的例示性截面图；图8为根据本技术的一个实施方案的在腔填充步骤之后的VCSEL的例示性截面图；图9为根据本技术的一个实施方案的在腔密封步骤之后的VCSEL的例示性截面图；并且图10为根据本技术的一个实施方案的n-DBR蚀刻步骤之后的VCSEL的例示性截面图。具体实施方式概述垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)通常包括n型GaAs基板，其中n-DBR叠堆被沉积于n型GaAs基板上。n-DBR是指包括重复的n型AlGaAs层对的分布式布拉格反射器，其中层对中的一层具有较低Al的含量，另一层具有较高的Al含量。每层的厚度为VCSEL发射的光线的局域波长的四分之一。然后，将量子阱(QW)叠堆沉积于n-DBR叠堆上。QW叠堆包括例如一个或多个由GaAs势垒隔开的InGaAs层，并且两侧被AlGaAs限制层围绕。InGaAs层和GaAs势垒可各自为8nm厚(例如)，而限制层为约120nm厚。然后将p-DBR叠堆(包括若干具有低Al含量和高Al含量的p型四分之一波AlGaAs层对)沉积于QW叠堆上。将片型接地电极沉积于n型基板上，并且将图案化电极沉积于p-DBR叠堆上，其中中间的开口用作VCSEL辐射的出口。高级VCSEL采用横向氧化以将电流和光辐射限制在VCSEL内。电流限制将载流子引入VCSEL的QW叠堆的有效区域中严格限定的体积内，并且光学限制以精确的模式控制由VCSEL产生的辐射的光学模式。在常用的横向氧化方法中，将具有非常高的摩尔含量的铝(高达98％的Al和2％的Ga)的非常薄的AlGaAs材料层(通常为30nm厚)插入VCSEL外延叠堆的内部，一般插入p-DBR叠堆的内部并且尽可能靠近QW叠堆。在将p-DBR叠堆蚀刻到台面状结构的至少限制层下方之后，将设备插入氧化炉中，该氧化炉通常处于H2O蒸汽的气氛中。由于限制层的Al含量较高，因此该层的氧化速度将快于AlGaAs叠堆的其它层。通过控制氧化工艺步骤的时间和温度，形成透明并且电隔离的氧化物层，其中氧化物从台面壁延伸到氧化物层中。保留的非氧化区域限定了VCSEL的光学孔，其继而限定了VCSEL的高斯光束的束腰。光学限制源于非氧化区域比周围氧化物具有更高的折射率的事实。它还将VCSEL的电流约束在非氧化区域中。尽管如上所述的横向VCSEL氧化广泛应用于VCSEL的制造中，但是它存在若干挑战：1.难以充分控制氧化炉中的均匀性和气体流速。2.氧化过程使Al0.98Ga0.02As限制层通常收缩10％。为避免VCSEL的半导体叠堆中形成过大的应力，该层的厚度不应超过30nm。3.通常使用MOCVD(茂金属化学气相沉积)方法生长的限制层可表现出若干纳米的厚度变化，该厚度变化造成层厚发生较大的相对变化。还可由于工艺而表现出变化的Al含量。4.层厚、Al含量和工艺参数(温度和气流)的不均匀性的组合可导致非氧化孔的横向几何形状产生较大波动。继而导致VCSEL的重要性能参数诸如其斑点大小和数值孔径产生较大波动。相关联的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光电设备，特征在于，包括：半导体基板；第一组外延层，所述第一组外延层形成在所述基板的区域上，从而限定下分布布拉格反射器DBR叠堆；第二组外延层，所述第二组外延层形成在所述第一组之上，从而限定量子阱结构；第三组外延层，所述第三组外延层形成在所述第二组之上，从而限定上部DBR叠堆，其中至少所述第三组外延层容纳在台面中，所述台面具有垂直于所述外延层的侧面；电介质涂层，所述电介质涂层在容纳所述第三组外延层的所述台面的至少一部分的所述侧面之上延伸；和电极，所述电极耦接到所述外延层以便将激发电流施加至所述量子阱结构。

【技术特征摘要】
2017.04.04 US 62/481,139;2017.12.14 US 15/841,3451.一种光电设备，特征在于，包括：半导体基板；第一组外延层，所述第一组外延层形成在所述基板的区域上，从而限定下分布布拉格反射器DBR叠堆；第二组外延层，所述第二组外延层形成在所述第一组之上，从而限定量子阱结构；第三组外延层，所述第三组外延层形成在所述第二组之上，从而限定上部DBR叠堆，其中至少所述第三组外延层容纳在台面中，所述台面具有垂直于所述外延层的侧面；电介质涂层，所述电介质涂层在容纳所述第三组外延层的所述台面的至少一部分的所述侧面之上延伸；和电极，所述电极耦接到所述外延层以便将激发电流施加至所述量子阱结构。2.根据权利要求1所述的光电设备，其中所述电介质涂层不在所述台面的上表面之上延伸。3.根据权利要求1或2所述的光电设备，包括形成于所述第三组外延层内的限制层，所述限制层包括：中心部分，所述中心部分包含半导体材料；和外围部分，所述外围部分围绕所述中心部分并包含电介质材料。4.根据权利要求3所述的光电设备，其中所述电介质涂层从所述台面的上表面向下延伸至所述限制层。5.根据权利要求3所述的光电设备，其中所述半导体材料为高Al含量...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·拉弗莱奎尔，M·德拉德，C·韦鲁，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：新型
国别省市：美国,US