多波长VCSEL阵列和制造方法技术

制造垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列以产生多个波长。在基板上形成第一分布式布拉格反射器(DBR)，并且在所述第一DBR上形成具有有源区域的光学层。所述光学层具有被配置来生成多个波长的光学特性的变化。为此，在所述第一DBR上形成所述层的第一部分。然后在所述第一部分的表面上形成不同的设定尺寸的特征部(轮廓、阱、沟槽、格栅等)。随后，通过填充所述第一部分的表面上的所述设定尺寸的特征部来形成所述层的第二部分。最后，在所述层的所述第二部分上形成第二DBR。所述光学特性的变化可包括折射率的变化、物理厚度的变化或两者的变化。可照常处理组件以产生具有多个发射器的VCSEL阵列。列。列。

【技术实现步骤摘要】
多波长VCSEL阵列和制造方法


[0001]本公开的主题涉及垂直腔面发射激光器(VCSEL)，并且更具体地，涉及能够使用腔内设定尺寸的特征部发射多个波长的VCSEL阵列，并且涉及制造这种VCSEL阵列的方法。

技术介绍

[0002]垂直腔面发射激光器(VCSEL)是具有单片激光谐振器的半导体激光二极管。VCSEL的典型结构具有上面设置有激光谐振器的基板。基板可来自砷化镓(GaAs)晶片。用于VCSEL的激光谐振器具有两个分布式布拉格反射器(DBR)，所述DBR彼此平行地设置在基板上并且由具有一个或多个量子阱的有源区域分离。两个DBR被相反地掺杂为p型和n型材料，以向形成在激光腔中的二极管结提供对应载流子。DBR中的每一者由具有交替的高低折射率的层组成，并且每个层的厚度为材料中的激光波长的四分之一。
[0003]当操作时，电流通过设置在基板上并且设置在第二DBR顶部上的欧姆触点供应给VCSEL。用电流(例如，几毫安)进行电泵浦，有源区域生成在0.5mW至5mW等范围内的输出功率。所生成的激光发射沿着VCSEL的纵轴发生。
[0004]VCSEL发射器的阵列可通过使多个发射器布置成二维配置来提供更高的功率输出。所述阵列可具有两个至数百个发射器，并且所述发射器可布置在外部形状内，所述外部形状通常是矩形芯片或其他形状。通常，发射器彼此以给定间距隔开。每个发射器具有小尺寸，并且可提供总输出功率的一小部分。例如根据实现方式，阵列的每个发射器可具有在5
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μm与20
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μm之间的直径，并且可提供几毫瓦至几十毫瓦之间的输出功率。由于制造限制并且为了减少热量生成，发射器之间的间隔(间距)可能会有所变化。
[0005]在晶片级下，VCSEL阵列的制造与在晶片上制造多个单独发射器所采取的步骤相当。制作VCSEL阵列可只需要一些附加的步骤以提供适当的电气连接。
[0006]能够发射多个波长的VCSEL阵列受到业界的关注。然而，这种多波长VCSEL阵列的制造呈现了多个挑战。在一个实现方式中，多波长VCSEL阵列通过有意地对一个或多个层的厚度进行分级来制造。此分级厚度会产生导致激光波长变化的腔变化。
[0007]作为实例，图12示出根据现有技术的能够发射多个波长的VCSEL 10的横截面。VCSEL 10包括质子植入物12、第一分布式布拉格反射器(DBR)20、有源层30、腔层32和第二分布式布拉格反射器(DBR)40。
[0008]如图所示，VCSEL 10能够发射多个波长(例如，λ1、λ2、λ3)。在此类型的装置中，通过在VCSEL 10的单外延生长期间在晶片上引入生长速率梯度来获得多个波长。通过在非平面基板上使用金属有机气相外延(MOVPE)生长或通过使用分子束外延(MBE)生长而不旋转基板，已经实现了分级生长速率。如已知的，MOVPE中所使用的化学气相沉积工艺使用在反应器中以升高的温度组合的反应气体之间的化学反应来生长多个层。反应所得的材料在基板或前一层上沉积为新的层。
[0009]特别如图12所示，分级生长速率产生厚度分级层34，所述厚度分级层34位于相反掺杂的DBR 20、40之间。在操作期间，质子植入物12将电流引导到具有多个量子阱的有源区
域30中。厚度分级层34在DBR 20、40之间产生腔厚度的变化，这产生所生成的激光波长的变化。
[0010]生产具有如上所指出的单生长和分级生长速率的多波长VCSEL具有多个限制。在非平面基板上使用MOVPE调谐生长速率需要所得发射器具有较大间隔距离。对于密集型VCSEL阵列，不期望增加发射器之间的间隔。此外，利用非旋转MBE调谐生长速率需要在生长期间对晶片与材料源之间进行额外的排列控制。对于大批量生产，这可能不切实际或无法实现。
[0011]在多波长VCSEL阵列的另一实现方式中，VCSEL被制造成具有带不同侧向尺寸的高对比度格栅，而不是顶部DBR。可针对阵列中的不同激光波长来配置高对比度格栅。参见例如Karagodsky、Vadim等人的“Monolithically integrated multi
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wavelength VCSEL arrays using high
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contrast gratings”，Optics Express 18.2(2010)：第694
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699页。
[0012]实现VCSEL阵列的多波长发射的又一方法使用两步式外延工艺以及通过用腔控制层生长腔的选择性VCSEL腔蚀刻来制造VCSEL。例如，图13A至13D示出在根据现有技术的制造阶段期间能够发射多个波长的VCSEL 50的示意性横截面。制造的详情在E.G.Lee等人的“Compactly packaged monolithic four
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wavelength VCSEL array with 100
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GHz wavelength spacing for future
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proof mobile fronthaul transport”，Optics Express第23卷，第1期，第284
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291页(2015)中提供。
[0013]如图13A所示，制造工艺生产底部分布式布拉格反射器(DBR)60、腔层72和74之间的有源层70以及多个腔控制层52a
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d。为了从单个VCSEL 50获得四个不同的波长，使用了腔控制层的四个分层对52a
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d。在生长腔控制层52a
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d之后，然后使用选择性蚀刻技术来选择性地蚀刻分层对52a
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d。如图13B所示，使用二进制编码的选择性湿法蚀刻的两次迭代来选择性地蚀刻54a两个分层对52c
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d。
[0014]如图13C所示，然后通过对位于不同区处的腔控制层对52a
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d应用二进制编码的选择性湿法蚀刻来获得VCSEL 50的不同腔长度54a
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d。为了完成如图2D所示的VCSEL 50，在再生长期间在腔控制层52a
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d上形成顶部DBR 80，并且执行另外的腔蚀刻。最后，这里通过改变腔厚度来改变VCSEL波长。
[0015]如图13A至图13D可见，用于选择性VCSEL腔蚀刻的腔控制层54a
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d的介绍需要复杂的腔设计和生长，并且可在针对顶部DBR 80进行过度生长之前使用多步式选择性蚀刻工艺。在此情况下，可能的波长的数量受限于在制造期间所使用的此类腔控制层54a
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d的数量，并且受限于所需的多个选择性蚀刻步骤的复杂工艺，从而使得这是一种困难的方法。
[0016]需要一种能够发射多种波长的VCSEL阵列，所述阵列的生产需要不太复杂的结构和制造。为此，本公开的主题涉及克服或至少减少以上所陈述的问题中的一者或多者的影响。

技术实现思路

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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于制造能够进行光学发射的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的方法，所述方法包括：在基板上形成第一分布式布拉格反射器(DBR)；通过以下项在所述第一DBR上形成具有有源区域的光学层：在所述第一DBR上形成所述光学层的第一部分；在所述第一部分的表面上形成多个设定尺寸的特征部，所述设定尺寸的特征部中的至少一个不同于所述其他设定尺寸的特征部；并且通过填充所述第一部分的所述表面上的所述设定尺寸的特征部来形成所述光学层的第二部分；以及在所述光学层上形成第二DBR。2.如权利要求1所述的方法，其中所述设定尺寸的特征部产生所述光学层的光学特性的变化，所述变化被配置来在所述VCSEL的所述光学发射中生成多个波长。3.如权利要求2所述的方法，其中所述光学特性的所述变化包括所述光学层的折射率的变化、物理厚度的变化、或折射率和物理厚度两者的变化。4.如权利要求1所述的方法，其中所述设定尺寸的特征部包括在所述光学层的所述第一部分的所述表面中限定的轮廓、腔、阱、沟槽和格栅中的一者或多者。5.如权利要求1所述的方法，其还包括：在所述有源区域与所述第二DBR之间形成孔径层以及在所述孔径层中形成孔径，所述孔径被配置来沿着纵轴束缚电流。6.如权利要求1所述的方法，其还包括：使用离子植入、氧化工艺或微影工艺形成孔径。7.如权利要求1所述的方法，其还包括：邻近所述第一DBR形成至少一个第一欧姆触点；以及邻近所述第二DBR形成至少一个第二欧姆触点。8.如权利要求1所述的方法，其中形成所述第一DBR和所述第二DBR中的每一者包括：形成具有不同折射率并且具有被配置为所述阵列的操作参数的厚度的交替材料层。9.如权利要求1所述的方法，其中形成所述光学层的所述第一部分包括：在所述第一DBR上形成第一包覆层；在所述第一包覆层上形成具有多个量子阱的所述有源区域；以及在所述有源区域上形成第二包覆层。10.如权利要求9所述的方法，其中在所述光学层的所述第一部分的所述表面上形成所述设定尺寸的特征部包括：用光刻在所述第二包覆层的表面上限定所述设定尺寸的特征部，以及使用蚀刻工艺在所述第二包覆层的所述表面中蚀刻所限定的特征；使用电子束微影在所述第二包覆层的所述表面上限定所述设定尺寸的特征部，以及使用蚀刻工艺在所述第二包覆层的所述表面中蚀刻所限定的特征；或使用纳米压印微影在所述第二包覆层的所述表面上限定所述设定尺寸的特征部，以及使用蚀刻工艺在所述第二包覆层的所述表面中蚀刻所限定的特征。11.如权利要求10所述的方法，其中通过填充所述设定尺寸的特征部形成所述光学层的所述第二部分包括：在具有所述设定尺寸的特征部的所述表面上形成第三包覆层。12.如权利要求11所述的方法，其中在所述表面上形成所述第三包覆层包括：形成具有
折射率的所述第三包覆层，所述折射率(i)与所述第二包覆层的折射率相当，(
ⅱ
)大于所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：安托万，
申请(专利权)人：IIVI特拉华有限公司，
类型：发明
国别省市：