具有受控波长的集成垂直发射器结构制造技术

一种光电子设备(22)包括：(i)具有第一水平的n型掺杂物的半导体衬底(24)；(ii)设置在半导体衬底(24)上方并且掺杂有大于第一水平的第二水平的n型掺杂物的接触半导体层(25)；(iii)设置在接触半导体层(25)上方并且包括交替的、具有在预定波长带中彼此不同的相应的第一和第二折射率的第一和第二外延半导体层(55)的上部分布式布拉格反射器(DBR)(79)堆叠；(iv)设置在上部DBR(79)上方的外延层组(35,36)，该外延层组(35,36)包括一种或多种III

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有受控波长的集成垂直发射器结构


[0001]本文所述的实施方案整体涉及半导体设备，并且具体涉及用于制造和集成光电子设备的方法和系统。

技术介绍

[0002]垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)为半导体激光器，其中在垂直于衬底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

[0003]本文所述的一个实施方案提供了一种光电子设备，该光电子设备包括：(i)半导体衬底，该半导体衬底掺杂有第一水平的n型掺杂物；(ii)接触半导体层，该接触半导体层设置在该半导体衬底上方并且掺杂有大于该第一水平的第二水平的n型掺杂物；(iii)上部分布式布拉格反射器(DBR)堆叠，该上部DBR堆叠设置在该接触半导体层上方并且包括交替的第一外延半导体层和第二外延半导体层，该第一外延半导体层和该第二外延半导体层具有在预定波长带中彼此不同的相应的第一折射率和第二折射率；(iv)外延层组，该外延层组设置在该上部DBR上方，该外延层组包括一种或多种III
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V族半导体材料并且限定：(a)量子阱结构和(b)限制层；以及(v)下部DBR堆叠，该下部DBR堆叠设置在该外延层组上，与该上部DBR相对，并且包括交替的电介质层和半导体层。
[0004]在一些实施方案中，该量子阱结构被配置为发射具有该预定波长带中的波长的光束。在其他实施方案中，(i)半导体衬底、(ii)接触半导体层和(iii)外延层组中的至少一者包括磷化铟，并且所发射的光束具有介于1.2μm和2μm之间的波长。在其他实施方案中，(i)半导体衬底、(ii)接触半导体层和(iii)外延层组中的至少一者包括锑化镓，并且所发射的光束具有大于2μm的波长。
[0005]在一个实施方案中，(i)半导体衬底、(ii)接触半导体层和(iii)外延层组中的至少一者包括砷化镓，并且所发射的光束具有介于0.63μm和1.1μm之间的波长。在另一个实施方案中，(i)半导体衬底、(ii)接触半导体层和(iii)外延层组中的至少一者包括氮化镓，并且所发射的光束具有小于0.6μm的波长。在另一个实施方案中，该设备包括电极，该电极被耦接以向量子阱结构施加激励电流。
[0006]在一些实施方案中，该电极包括第一电极和第二电极，并且该设备还包括(i)第一凸块，该第一凸块电耦接在该第一电极和该接触半导体层之间，和(ii)第二凸块，该第二凸块耦接在该第二电极和附加接触半导体层之间，并且该第一凸块和该第二凸块被配置为传导向该量子阱结构施加的激励电流。在其他实施方案中，除了交替的电介质层和半导体层之外，下部DBR还包括交替的第三外延半导体层和第四外延半导体层，该第三外延半导体层和该第四外延半导体层具有在该预定波长带中彼此不同的相应的第三折射率和第四折射率。
[0007]在一个实施方案中，量子阱结构被配置为检测预定波长的光。在另一个实施方案中，该设备包括电极，该电极被耦接以从量子阱结构接收指示所检测的光束的信号。
[0008]本文所述的另一实施方案提供了一种用于制造光电子设备的方法，该方法包括在掺杂有第一水平的n型掺杂物的半导体衬底上方设置接触半导体层，并且利用大于第一水平的第二水平的n型掺杂物掺杂该接触半导体层。上部分布式布拉格反射器(DBR)堆叠设置在该接触半导体层上方。该上部DBR包括交替的第一外延半导体层和第二外延半导体层，该第一外延半导体层和该第二外延半导体层具有在预定波长带中彼此不同的相应的第一折射率和第二折射率。在上部DBR上方设置外延层组，该外延层组包括限定量子阱结构的一种或多种III
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V族半导体材料和限制层。包括交替的电介质层和半导体层的下部DBR堆叠设置在外延层组上方，与上部DBR相对。
[0009]本文所述的另一实施方案提供了一种方法，该方法包括操作光电子设备。该光电子设备包括：(i)半导体衬底，该半导体衬底掺杂有第一水平的n型掺杂物；(ii)接触半导体层，该接触半导体层设置在该半导体衬底上方并且掺杂有大于该第一水平的第二水平的n型掺杂物；(iii)上部分布式布拉格反射器(DBR)堆叠，该上部DBR堆叠设置在该接触半导体层上方并且包括交替的第一外延半导体层和第二外延半导体层，该第一外延半导体层和该第二外延半导体层具有在预定波长带中彼此不同的相应的第一折射率和第二折射率；(iv)外延层组，该外延层组设置在该上部DBR上方，该外延层组包括一种或多种III
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V族半导体材料并且限定：(a)量子阱结构和(b)限制层；以及(v)下部DBR堆叠，该下部DBR堆叠设置在该外延层组上方，与该上部DBR相对，并且包括交替的电介质层和半导体层。激励电流被施加到量子阱结构，该量子阱结构用于发射具有预定波长带中的波长的光束。
[0010]从下面结合附图对本专利技术实施方案的详细描述中，将更全面地理解这些和其他实施方案，其中：
附图说明
[0011]图1是根据本文所述的一个实施方案的集成光电子模块(IOM)的示意性剖视图；并且
[0012]图2至图6是根据本文所述的一个实施方案的用于制造IOM的过程顺序的示意性剖视图。
具体实施方式
[0013]概述
[0014]基于III
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V族化合物半导体材料的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)被配置用于发射预定波长(WL)范围内的光束。例如，基于磷化铟(InP)的VCSEL被配置为发射介于1.2μm和2μm之间的WL范围内的光束。承载VCSEL的InP芯片可键合到载流子衬底(诸如硅(Si)衬底)，以便利用Si晶圆上的互补金属氧化物半导体(CMOS)控制电路。
[0015]在本示例中，Si晶圆包括具有电极阵列的背板驱动器，该电极阵列在本文中也称为阳极和阴极，该阳极和该阴极被配置为提供激励电流以选择性地操作键合的InP芯片的一个或多个InP VCSEL。
[0016]在本说明书的上下文中和在权利要求中，术语“衬底”可以指完整的晶圆或晶圆的
一部分，诸如在半导体裸片或芯片中。
[0017]在一些实施方案中，可以通过使用以下过程顺序在n型InP衬底上沉积外延层堆叠来制造基于InP的VCSEL。在第一步骤中，重掺杂n型接触InP层设置在InP衬底上。在第二步骤中，在接触InP层上设置上部反射器，本文中称为上部分布式布拉格反射器(DBR)堆叠。该上部DBR包括交替的第一n型外延半导体层和第二n型外延半导体层(例如，交替的AlGaInAs和InP层，其间具有渐变层)，本文中也称为nDBR。该nDBR的第一层和第二层具有在预定波长带中彼此不同的相应的第一折射率和第二折射率。在这种配置中，上部反射器被配置为在上述WL范围具有超过99％的反射率。
[0018]在第三步骤中，外延III
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V族半导体层组设置在上部DBR上，并限定量子阱(QW)结构，并且轻掺杂p型半导体层沉积在QW上。该QW结构(包括量子阱和阻挡层)被配置为发射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光电子设备，包括：半导体衬底，所述半导体衬底掺杂有第一水平的n型掺杂物；接触半导体层，所述接触半导体层设置在所述半导体衬底上方并且掺杂有大于所述第一水平的第二水平的n型掺杂物；上部分布式布拉格反射器(DBR)堆叠，所述上部DBR堆叠设置在所述接触半导体层上方并且包括交替的第一外延半导体层和第二外延半导体层，所述第一外延半导体层和所述第二外延半导体层具有在预定波长带中彼此不同的相应的第一折射率和第二折射率；外延层组，所述外延层组设置在所述上部DBR上方，其中所述外延层组包括一种或多种III
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V族半导体材料并且限定：量子阱结构；和限制层；以及下部DBR堆叠，所述下部DBR堆叠设置在所述外延层组上方，与所述上部DBR相对，并且包括交替的电介质层和半导体层。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述量子阱结构被配置为发射具有所述预定波长带中的波长的光束。3.根据权利要求2所述的设备，其中(i)所述半导体衬底、(ii)所述接触半导体层和(iii)所述外延层组中的至少一者包括磷化铟，并且其中所发射的光束具有介于1.2μm和2μm之间的波长。4.根据权利要求2所述的设备，其中(i)所述半导体衬底、(ii)所述接触半导体层和(iii)所述外延层组中的至少一者包括锑化镓，并且其中所发射的光束具有大于2μm的波长。5.根据权利要求2所述的设备，其中(i)所述半导体衬底、(ii)所述接触半导体层和(iii)所述外延层组中的至少一者包括砷化镓，并且其中所发射的光束具有介于0.63μm和1.1μm之间的波长。6.根据权利要求2所述的设备，其中(i)所述半导体衬底、(ii)所述接触半导体层和(iii)所述外延层组中的至少一者包括氮化镓，并且其中所发射的光束具有小于0.6μm的波长。7.根据权利要求2所述的设备，并且所述设备包括电极，所述电极被耦接以向所述量子阱结构施加激励电流。8.根据权利要求7所述的设备，其中所述电极包括第一电极和第二电极，并且所述设备包括：(i)第一凸块，所述第一凸块电耦接在所述第一电极和所述接触半导体层之间；和(ii)第二凸块，所述第二凸块耦接在所述第二电极和附加接触半导体层之间，并且其中所述第一凸块和所述第二凸块被配置为传导向所述量子阱结构施加的所述激励电流。9.根据权利要求1或2所述的设备，其中除了所述交替的电介质层和半导体层之外，所述下部DBR还包括交替的第三外延半导体层和第四外延半导体层，所述第三外延半导体层和所述第四外延半导体层具有在所述预定波长带中彼此不同的相应的第三折射率和第四折射率。10.根据权利要求1所述的设备，其中所述量子阱结构被配置为检测所述预定波长的光。
11.根据权利要求10所述的设备，并且所述设备包括电极，所述电极被耦接以从所述量子阱结构接收指示所检测的光束的信号。12.一种用于制造光电子设备的方法，所述方法包括：在掺杂有第一水平的n型掺杂物的半导体衬底上方设置接触半导体层，并且利用大于所述第一水平的第二水平的n型掺...

【专利技术属性】
技术研发人员：谈飞，A，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：