底发射结构的垂直腔面发射激光器、数组及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种底发射结构的垂直腔面发射激光器具有一基板，第一镜单元形成于基板上，有源区形成于第一镜单元上，第二镜单元形成于有源区上。柱体通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成，且柱体曝露第一镜单元、有源区及第二镜单元的一部分，第一金属接触层形成于柱体的顶部，第二金属接触层形成于基板，开孔形成于第二金属接触层内，并与柱体对齐。本发明专利技术使垂直腔面发射激光器数组得以更密集的方式封装，从而增加在晶圆上形成的芯片数量并相应地降低芯片成本。

Vertical cavity surface emitting laser with bottom emitting structure, array and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
底发射结构的垂直腔面发射激光器、数组及其制作方法
本专利技术涉及一种垂直腔面发射激光器(verticalcavitysurfaceemittinglasers；VCSELs)，特别是关于一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，使垂直腔面发射激光器数组得以更密集的方式封装，从而增加在晶圆上形成的芯片数量并相应地降低芯片成本。
技术介绍
半导体激光器被用于许多需要高功率照明的成像应用中，如用于三维成像的结构光源、激光探测和测距(LADAR)、飞时测距法(TOF)三维成像、航空防御和聚变研究等。垂直腔面发射激光器(VCSELs)由于其在低功率、高频等方面的优越性和制造上的优势，在众多半导体激光器中得到了广泛的应用。垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种半导体微型激光二极管，通常以圆柱形光束发射光。光束由制造它的基板表面垂直发射。由于VCSEL中的光束从基板表面垂直发射，所以在分离成单独的器件之前，可以在晶圆上进行测试。这降低了器件的制作成本，也使得VCSEL不仅可在一维阵列中构建，而且可在二维阵列中构建。相比于大多数边缘发射激光器，VCSEL通常具有较大的输出孔径。这使得VCSEL产生较小的输出光束发散角，且造就了与光纤的高耦合效率。相比于大多数边缘发射激光器，VCSEL还具有高反射率的镜零件，这也降低了VCSEL的阈值电流，从而降低功耗。低阈值电流也使得VCSEL具有较高的固有调制带宽。在有源区的增益带内，VCSEL的波长也可以通过调整反射层的厚度调节。在VCSEL结构的一种类型中，形成具有相对较小的氧化孔面积的台面/柱型结构，使其能够进行高速操作。不幸的是，由于氧化物层结构的需求，很难减小VCSEL台面的尺寸。这限制了VCSEL数组的尺寸/密度，从而限制了可以在单个晶圆上制造的VCSEL器件的数量，也增加了芯片成本。因此，期望能提供一种替代方案和方法来克服上述问题。
技术实现思路
为了克服上述习知技术的缺点，本专利技术提供下列各种实施例来解决上述问题。本专利技术一实施例提供一种底发射结构的垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器具有一基板。第一镜单元形成于基板上。有源区形成于第一镜单元上。第二镜单元形成于有源区上。柱体通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻(directionalInductiveCoupledPlasma-ReactiveIonEtcher；ICP-RIE)形成，且柱体曝露第一镜单元、有源区及第二镜单元的一部分。第一金属接触层形成于柱体的顶部。第二金属接触层形成于基板。开孔形成于第二金属接触层内，并与柱体对齐。本专利技术一实施例提供一种底发射结构的垂直腔面发射激光器的制作方法。方法包括:形成第一镜单元于基板上；形成有源区于第一镜单元上；形成第二镜单元于有源区上；通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成一柱体，柱体曝露所述第一镜单元、所述有源区及所述第二镜单元的一部分；涂布第一金属接触于柱体的顶部；以及，涂布第二金属接触于基板，其中一开孔形成于所述第二金属接触内，且所述开孔与所述柱体对齐。本专利技术一实施例提供一种底发射结构的垂直腔面发射激光器数组。垂直腔面发射激光器数组具有一基板。第一镜单元形成于基板上。有源区形成于第一镜单元上。第二镜单元形成于有源区上。多数个柱体通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成，每一个柱体曝露第一镜单元、有源区及第二镜单元的一部分。第一金属接触层形成于每一个柱体的顶部。第二金属接触层形成于。基板。多数个开孔形成于所述第二金属接触层内，并且每一个开孔与对应的所述柱体对齐。【附图说明】本专利技术进一步于以下附图详细说明。附图不是为了限制本专利技术范围，而是为了说明本专利技术的特定特征。相同的标号将在整个附图中使用，以参考相同或类似的器件。图1A-图1C表示习知技术中垂直腔面发射激光器(VCSEL)的横向截面示意图。图2是习知技术中正向结构设计的VCSEL的横向截面示意图。图3是本专利技术一实施例中一种柱状底发射结构的垂直腔面发射激光器的横向截面图。图4是本专利技术一实施例中将图3的垂直腔面发射激光器采用倒装配置的横向截面图。图5是本专利技术一实施例中将图3的垂直腔面发射激光器采用倒装配置以供数组应用的横向截面图。图6A是本专利技术一实施例中一种柱体带有浅缘的柱状底发射结构的垂直腔面发射激光器的横向截面图。图6B是本专利技术一实施例中一种利用PECVD形成DBR的柱状底发射结构的垂直腔面发射激光器的横向截面图。图7表示出习知技术中VCSEL与本专利技术中柱状底发射结构的垂直腔面发射激光器中，VCSEL装置彼此间空隙的比较截面图。附图标号说明A有源区10(习知技术)VCSEL装置/数组12基板14、16DBR18有源区20埋层26柱状体28(顶部)金属接触环30开口32(底部)金属接触层40(本专利技术)VCSEL装置/数组42基板44、44DBR48有源区50柱体52(顶部)金属接触53焊料54(底部)金属接触55金属垫56开孔58(封装或散热)基板60浅缘70VCSEL数组A有源区F电流E蚀刻柱I植入物O氧化物da(VCSEL阵列10)开口孔径、(VCSEL阵列40)柱体间的距离dc(VCSEL阵列10)金属接触环宽度dgap(VCSEL阵列10)柱状体间的距离、(VCSEL阵列40)柱体直径λ激光【具体实施方式】以下结合附图的描述，旨在说明本专利技术当前的优选实施例，并非表示构造及/或使用本专利技术的唯一形式。本说明书结合所示实施例阐述了用于构造和操作本专利技术的功能和步骤顺序。不过，应当理解，相同或等效的功能和顺序可以通过不同的实施例来实现，这些实施例也意在包含本专利技术揭露的精神和范围内。本专利技术实施例中的垂直腔面发射激光器(VCSEL)及形成所述垂直腔面发射激光器的制作方法，不需要任何氧化物层结构来缩小内部光学孔径定义和形成，而揭露了一种具有台面/柱型结构(以下简称为柱体)的VCSEL。位在由电感耦合等离子体/反应离子蚀刻(ICP/RIE)柱体顶部的金属接触层，不需要形成空心环(即中间的开孔)来由中心开孔发射激光。这可以消除会扩展柱体尺寸的金属接触环的需求，并允许VCSEL数组以最密集的方式封装，从而增加晶圆上的芯片数量并相应地降低芯片成本。请参考图1A-图1C，是习知技术中的三种VCSEL设计。图1A描绘出一种具有蚀刻柱(空气柱)E的VCSEL设计。当台面或柱体直径在20-50微米且不需要高频操作时，具有蚀刻柱的VCSEL结构通常用于较大的VCSEL设计。只要柱体形成，就可以形成金属接触环。图1B描绘一种使用平面离子植入物(planarionimplant)I的VCSEL设计。由于植入物的区隔边缘“不明确”，使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括:/n一基板；/n一第一镜单元，位于所述基板上；/n一有源区，位于所述第一镜单元上；/n一第二镜单元，位于所述有源区上；/n一柱体，通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成，所述柱体曝露所述第一镜单元、所述有源区及所述第二镜单元的一部分；/n一第一金属接触层，形成于所述柱体的顶部；/n一第二金属接触层，形成于所述基板；以及，/n一开孔，形成于所述第二金属接触层内，并与所述柱体对齐。/n

【技术特征摘要】
20181204 US 16/2089581.一种底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括:
一基板；
一第一镜单元，位于所述基板上；
一有源区，位于所述第一镜单元上；
一第二镜单元，位于所述有源区上；
一柱体，通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻形成，所述柱体曝露所述第一镜单元、所述有源区及所述第二镜单元的一部分；
一第一金属接触层，形成于所述柱体的顶部；
一第二金属接触层，形成于所述基板；以及，
一开孔，形成于所述第二金属接触层内，并与所述柱体对齐。


2.如权利要求1所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:包括一装置倒装于所述底发射结构的垂直腔面发射激光器。


3.如权利要求1所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:包括一焊料形成于所述第一金属接触层上，其中所述焊料连接至一装置的一金属接触层上，以将所述装置倒装于所述底发射结构的垂直腔面发射激光器。


4.如权利要求1所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:所述第一镜单元是一第一分布式布拉格反射镜。


5.如权利要求4所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:所述第二镜单元是一第二分布式布拉格反射镜。


6.如权利要求1所述的底发射结构的垂直腔面发射激光器，其特征在于:所述有源区是一量子阱。


7.一种底发射结构的垂直腔面发射激光器的制作方法，包括:
形成一第一镜单元于一基板上；
形成一有源区于所述第一镜单元上；
形成一第二镜单元于所述有源区上；
通过定向电感耦合等离子体反应离子蚀刻，形成一柱体，所述柱体曝露所述第一镜单元、所述有源区及所述第二镜单元的一部分；
涂布一第一金属接触于所述柱体的顶部；以及，
涂布一第二金属接触于所述基板，其中一开孔形成于所述第二金属接触内，且所述开孔与所述柱体对齐。


8.如权利要求7所述的方法，其特征在于:包括将形成所述底发射结构的垂直腔面发射激光器的一芯片翻转，以涂布所述第二金属接触。


9.如权利要求7所述的方法，其特征在于:包括倒装一装置于所述底发射结构的垂直腔面发射激光器。...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍益勤，马吉德·里亚齐亚特，吴大中，威尔逊·基，鲍濬，
申请(专利权)人：欧比克半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US