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CN114825040A - 具有光学限制控制的低成本长波长vcsel的设计和制造 - Google Patents

具有光学限制控制的低成本长波长vcsel的设计和制造 Download PDF

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CN114825040A
CN114825040A CN202111591179.9A CN202111591179A CN114825040A CN 114825040 A CN114825040 A CN 114825040A CN 202111591179 A CN202111591179 A CN 202111591179A CN 114825040 A CN114825040 A CN 114825040A
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semiconductor
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弗拉迪米尔·亚科夫勒夫
塔米尔·沙克兹
埃拉德·门托维奇
马坦·加兰蒂
伊特沙克·卡利法
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Abstract

描述了用于1200 nm至1600 nm的波长范围内的长波长应用的若干VCSEL器件。这些器件包括有源区，该有源区位于GaAs晶片上的半导体DBR与在有源区上再生长的电介质DBR之间。所述有源区包括限制在有源n‑InP和p‑InAlAs层之间的多量子层（MQL）以及MQL上方的隧道结层。半导体DBR被通过晶片键合工艺融合到有源区的底部。设计通过仅使一个晶片键合然后使包括电介质DBR的其他层再生长而简化了集成反射器和有源区堆叠。在有源区的n‑InP层或半导体DBR的顶部上的气隙间隔层中制造气隙。气隙增强了VCSEL的光学限制。气隙还可以包含光栅。

Description

具有光学限制控制的低成本长波长VCSEL的设计和制造
技术领域
本文描述的实施方式涉及用于光纤数据和模拟传输的激光器，并且更具体地，涉及具有光学限制的长波长VCSEL的设计和制造。
背景技术
在光纤系统中使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)进行光传输提供了优于常用的边射型激光器的多个优点。例如，与边射型激光器相比，VCSEL需要更少的功耗并且可以更高效地制造。这种效率的一个方面是由VCSEL的晶片上测试能力提供的。与用于边射型激光器的常规测试技术相比，进行晶片上测试的能力产生相当大的成本优势。此外，VCSEL随着时间的推移提供可靠的操作，这对于光纤系统中的应用至关重要。
虽然通过处理在砷化镓(GaAs)衬底上生长的外延结构来设计和制造可靠的短波长VCSEL已经得到很好的发展并被大规模生产行业所接受，但设计和制造波长范围在1200nm至1650nm内的长波长(LW)VCSEL尚未达到相同的成熟度，无论是从性能和可靠性的角度，还是从每个VCSEL芯片的成本的角度来看都是如此。
长波有源区的最先进的设计包括磷化铟(InP)基多量子层(MQL)结构、用于横向电流和光学限制的掩埋隧道结(TJ)以及腔内接触方案。在LW VCSEL的所有已知设计和制造方法中，只有具有晶片融合GaAs基分布式布拉格反射器(DBR)和InP基有源区的那些VCSEL设计被报告显示出可信的可靠操作。
晶片融合设计和制造方法的优势在于从有源区的MQL中提供尽可能好的散热器，并且这种热管理对于可靠运行至关重要。用双融合结构的长波长VCSEL制造工艺与短波长VCSEL的制造工艺非常相似。
然而，在晶片融合设计的几个缺点中，最重要的一些缺点在于：(i)牺牲了一个InP和一个GaAs衬底；(ii)与由介电材料形成的DBR相比，半导体分布式布拉格反射器DBR层的外延生长成本更高；并且(iii)键合工艺对外延生长晶片的表面形态的高度敏感性。获得可接受的键合形态的主要困难在于图案化TJ上的InP的再生长，这形成非平面晶片表面。
最后但并非最不重要的一点是，在InP晶片与GaAs键合后，高温下的晶片融合会导致InP晶片上的图案的尺寸缩放，因为不同的晶片材料可能具有不匹配的热膨胀系数。如果在键合后InP晶片部分上的图案将与GaAs晶片上的图案匹配，则可以避免尺寸缩放问题。
电介质DBR已用于替代性设计和制造方法。在其最先进的应用中，用电介质DBR制造的VCSEL包含非常少量的半导体材料，分别夹在两个厚金属层上的两个电介质DBR之间。这种VCSEL的潜在低成本设计和制造工艺具有使用具有高折射率对比度的电介质DBR的优势。然而，这种设计的制造工艺对于使用双融合晶片结构的短波长和长波长VCSEL来说都不太成熟且不太可靠。到目前为止，半导体与电介质和金属材料的这种类型的异质集成还没有被工业界广泛接受用于大规模VCSEL制造。
为了制作两侧具有电介质DBR的VCSEL，主要的设计限制是固有的高热阻，因为位于光学和电流限制区域中的MQL从两侧被低导热的电介质DBR夹在中间。使用双面DBR进一步优化VCSEL结构通常涉及集成金属基质材料(通常是金)。这导致在子组件系统级封装之后VCSEL的制造成本增加且可靠性降低。
在当今市场上，对LW VCSEL的众多应用有着巨大的需求，这些应用具有设计和制造工艺的解决方案，在性能、可靠性和成本方面可与标准短波长VCSEL技术相媲美。
因此，需要找到创新的LW VCSEL设计和可行的制造工艺，以便以可承受的成本提高单模式和多模式LW VCSEL器件的性能和可靠性。
发明内容
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的示例性实施方式包括以下元件：第一衬底；第一反射器设置在所述第一衬底上，其中所述第一反射器包括分布式布拉格反射器(DBR)，所述分布式布拉格反射器包括多层交替的半导体材料；第二反射器，其中所述第二反射器包括分布式布拉格反射器(DBR)，所述分布式布拉格反射器包括多个交替的介电层；以及有源区结构，所述有源区结构设置在所述第一反射器与所述第二反射器之间。
所述有源区的底部和所述第一反射器的顶部经由晶片键合工艺形成融合界面层。
所述有源区结构包括：VCSEL增益介质(MQL)的多量子阱和/或量子点层，其中所述MQL设置在面向所述第一反射器的底侧处的第一组有源半导体层与在面向所述第二反射器的顶侧的第二组有源半导体层之间；其中所述第一组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第一半导体层和远离所述MQL设置的第二半导体层；其中第一蚀刻终止层设置在所述第一半导体层与所述第二半导体层之间，以限定所述有源区结构的图案化工艺，以便提供用于阴极层的空间；并且其中在所述MQL的顶侧的所述第二组有源半导体层包括被设置成与所述MQL直接接触的第三半导体层、被设置在远离所述MQL的所述第三半导体层上方的第四半导体层；隧道结层，所述隧道结层被设置在所述第四半导体层上方并且被图案化以与所述MQL的一部分重叠，其中第二蚀刻停止层设置在所述第四半导体层与所述隧道结层之间以限定所述隧道结层的图案化工艺；以及第五半导体层，所述第五半导体层在所述隧道结层和所述第二蚀刻停止层上方；其中所述第二反射器被制作在所述第五半导体层上，并且其中阳极层设置在靠近所述第二反射器的所述第五半导体层上。
在一些情况下，所述VCSEL被配置为发射波长范围在1200纳米(nm)至1650nm内的激光。
在一些情况下，所述第一反射器中的所述多层交替半导体材料包括未掺杂的砷化铝镓(AlGaAs)和砷化镓(GaAs)层。
在一些情况下，所述第二反射器中的所述多个交替的介电层包括以所述激光波长的四分之一的周期布置的交替的硅和氧化硅层对。
在一些情况下，所述第一半导体层和所述第二半导体层都是n掺杂磷化铟(n-InP)层。
在一些情况下，所述第三半导体层和所述第五半导体层都是n掺杂磷化铟(n-InP)层，并且其中所述第四半导体层是p掺杂砷酸铟铝(p-InAlAs)层。
在一些情况下，所述隧道结层包括n++掺杂的InGaAlAs和p++掺杂的InGaAlAs。
在一些情况下，所述第一衬底是GaAs晶片。
在一些情况下，所述VCSEL还包括：布置在所述第一反射器上的阴极焊盘，其中所述阴极焊盘包括阴极电介质DBR堆叠、所述阴极电介质DBR堆叠上的聚合物层以及所述聚合物层上的金属阴极电极，其中所述金属阴极电极连接至所述阴极层；以及布置在所述第一反射器上的阳极焊盘，其中所述阳极焊盘包括阳极电介质DBR堆叠、所述阳极电介质DBR堆叠上的聚合物层以及所述聚合物层上的金属阳极电极，其中所述金属阳极电极连接至所述阳极层。
VCSEL的另一示例性实施方式包括：第一衬底；第一反射器设置在所述第一衬底上，其中所述第一反射器包括分布式布拉格反射器(DBR)，所述分布式布拉格反射器包括多层交替的第一半导体材料和第二半导体材料；第二反射器，其中所述第二反射器包括分布式布拉格反射器(DBR)，所述分布式布拉格反射器包括多个交替的介电层；有源区结构，所述有源区结构设置在所述第一反射器与所述第二反射器之间。
所述VCSEL还包括气隙间隔层，所述气隙间隔层包含气隙和形成在所述第一反射器上的气隙蚀刻停止层，其中所述气隙间隔层包括所述第一半导体材料并且所述气隙蚀刻停止层包括所述第二半导体材料。
所述有源区的所述底部和所述气隙间隔层的所述顶部经由晶片键合工艺形成融合界面层。
进一步地，所述有源区结构包括：MQL，其中所述MQL设置在面向所述第一反射器的底侧的第一组有源半导体层与面向所述第二反射器的顶侧的第二组有源半导体层之间。
所述第一组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第一半导体层和远离所述MQL设置的第二半导体层；其中第一蚀刻停止层设置在所述第一半导体层与所述第二半导体层之间，以限定所述有源区结构的图案化工艺，以便提供用于阴极层的空间。
在所述MQL的顶侧的所述第二组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第三半导体层、设置在远离所述MQL的所述第三半导体层上方的第四半导体层。
隧道结层被设置在所述第四半导体层上方并且被图案化以与所述MQL的一部分重叠，其中第二蚀刻停止层设置在所述第四半导体层与所述隧道结层之间以限定所述隧道结层的图案化工艺；以及第五半导体层，所述第五半导体层在所述隧道结层和所述第二蚀刻停止层上方；其中所述第二反射器被制作在所述第五半导体层上，并且其中阳极层设置在靠近所述第二反射器的所述第五半导体层上。
VCSEL的另一示例性实施方式包括：第一衬底；第一反射器设置在所述第一衬底上，其中所述第一反射器包括分布式布拉格反射器(DBR)，所述分布式布拉格反射器包括多层交替的第一半导体材料和第二半导体材料；第二反射器，其中所述第二反射器包括分布式布拉格反射器(DBR)，所述分布式布拉格反射器包括多个交替的介电层；有源区结构，所述有源区结构设置在所述第一反射器与所述第二反射器之间。
所述有源区的所述底部和所述第一反射器的所述顶部经由晶片键合工艺形成融合界面层。
进一步地，所述有源区结构包括：MQL，所述MQL设置在面向所述第一反射器的底侧处的第一组有源半导体层与在面向所述第二反射器的顶侧的第二组有源半导体层之间；其中所述第一组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第一半导体层和远离所述MQL设置的第二半导体层。
在所述融合界面层上方的所述第二半导体层中形成气隙；第一蚀刻停止层设置在所述第一半导体层与所述第二半导体层之间，以限定所述有源区结构的图案化工艺，以便提供用于阴极层的空间；并且在所述MQL的所述顶侧的所述第二组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第三半导体层、设置在远离所述MQL的所述第三半导体层上方的第四半导体层。
隧道结层被设置在所述第四半导体层上方并且被图案化以与所述MQL的一部分重叠，其中第二蚀刻停止层设置在所述第四半导体层与所述隧道结层之间以限定所述隧道结层的图案化工艺；以及第五半导体层，所述第五半导体层在所述隧道结层和所述第二蚀刻停止层上方。
所述第二反射器被制作在所述第五半导体层上，并且阳极层设置在靠近所述第二反射器的所述第五半导体层上。
此外，所述气隙包括光栅结构，其中所述光栅结构与所述隧道结对准并且特征在于增强所述VCSEL激光器的光学限制。
附图说明
已经总体上如此描述了本发明，现在将参考附图，这些附图不一定按比例绘制。
图1A和图1B示出了根据本公开的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的总体设计的示意性截面图；
图2A和图2B图示了根据本公开的示例性实施方式的在结构的GaAs部分中包括气隙的VCSEL器件的示意性截面图；
图3A和图3B图示了根据本公开的示例性实施方式的在结构的InP部分中包括气隙的VCSEL器件的示意性截面图；
图4图示了根据本公开的示例性实施方式的在顶部DBR中包括介电层作为接触焊盘的一部分的VCSEL器件的示意性截面图；
图5图示了根据本公开的示例性实施方式的具有形成在底部GaAs DBR的顶部上的气隙的底部上的光栅的VCSEL器件的示意性截面图；
图6图示了根据本公开的示例性实施方式的在气隙的InP基侧上具有光栅的VCSEL器件的示意性截面图；并且
图7A和图7B图示了根据本公开的其他实施方式的具有设置在融合界面上的光栅的VCSEL器件的示意性截面图。
具体实施方式
现将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的一些但非全部实施方式。实际上，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应当被解释为限于本文阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式是为了使本公开满足适用法律要求。类似的数字在全文中指代类似的元件。
在各种实施方式中，参考附图进行描述。然而，某些实施方式可以在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下实施，或者与其他已知方法和配置结合实施。在以下描述中，阐述了许多具体细节，诸如具体配置、尺寸和工艺等，以便提供对实施方式的透彻理解。在其他情况下，没有特别详细地描述众所周知的工艺和制造技术以便避免不必要地模糊实施方式。在整个说明书中对“一个实施方式”的引用意味着结合实施方式描述的特定特征、结构、配置或特性包括在至少一个实施方式中。因此，在整个说明书中在各个地方的短语“在一个实施方式中”的出现不一定指相同实施方式。此外，特征、结构、配置或特性可以在一个或多个实施方式中以任何合适的方式组合。类似地，除非另有说明，否则术语“示例性”用于描述示例性实施方式并且不表示所描述的实施方式优于其他实施方式。
如本文所用，术语“上方”、“跨越”、“至”、“之间”和“之上”可以指一层相对于其他层的相对位置。“在”另一层“上方”、“跨越”或“之上”或与另一层“键合”或“接触”的一层可以与另一层直接接触或者可以具有一个或多个中间层。“在”层之间的一层可以直接与这些层接触或者可以具有一个或多个中间层。
本发明提出了将LW VCSEL设计和制造中现有技术的最佳组合以便以可承受的成本提高单模式和多模式LW VCSEL器件的性能和可靠性的方式和手段。
本发明提出了将具有掩埋TJ活性材料的InP基MQL键合到GaAs基DBR底部镜面反射器(这通常是很好的散热器)，但对于顶部输出DBR反射器，所提出的方法使用基于电介质的材料来代替GaAs，具有以下益处：(a)利用其潜在的低成本，(b)作为触点焊盘的电介质的双重用途，(c)与目前用于晶片键合的现有技术中所需的相比，固有电位将沉积在非平面表面上并且具有非完全形态，以及(d)由于电介质与半导体GaAs基材料(如DBR)的折射率的高对比度，增加了VCSEL的垂直腔内光学限制。
本发明还提出在进行将消除尺寸缩放的晶片键合工艺的步骤之后，按顺序执行用于横向电流和光学限制的TJ的再生长。
此外，本发明描述了在InP基MQL增益晶片和底部镜面GaAs基DBR反射器的界面处实现腔内气隙以便进一步增加腔内垂直光学限制的方式。引入低折射率值为1.0的气隙层具有进一步减少底部GaAs DBR层的总数的益处，而不会影响VCSEL器件的垂直光学限制。设计气隙的横向几何形状和制造工艺允许控制单模式和/或多模式横向光学限制以及VCSEL器件的激光束偏振。
在制造工艺顺序中，本发明提出：(1)在InP基有源区或GaAs底部DBR晶片表面处图案化和处理气隙；(2)在(1)之后仅应用两个晶片的单一键合；(3)与现有方案中的第一次键合相比，将晶片键合和TJ再生长的顺序颠倒，使得所述工艺包括：首先将外延结构转移到GaAs衬底上的底部DBR上，所述外延结构具有最后的层(其是TJ层)，然后继续进行图案化并进一步使n-InP上电接触层再生长。
以这种方式，仅具有一种键合工艺来将晶片与作为第二(输出)DBR反射器沉积的介电材料结合有若干优点：
i.在键合工艺之前形成气隙主体作为强垂直和横向VCSEL光学限制的一部分；
ii.在显著提高了晶片键合工艺的产率的TJ图案化和n-InP电触点的再生长之前，在具有良好平面形态和低表面缺陷密度的晶片上进行单独键合；
iii.由于TJ的顺序图案化和键合工艺后的再生长，尺寸缩放问题被消除；
iv.与晶片键合的要求相比，对介电材料DBR层沉积的再生长形态的要求要宽松得多；
v.通过金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)和/或分子束外延(MBE)技术的再生长工艺有更多的工程自由度，因为对再生长表面形态和公差的要求宽松了；
vi.顶部DBR中的介电层为优化器件设计引入了新的自由度：将p触点定位成更靠近电流孔以降低串联电阻，从而将电介质DBR层作为接触焊盘和表面钝化共享，所有上述都提高了性能和可靠性。
几个提出的VCSEL器件的实施方式在根据本发明的公开内容的图1至图7中描绘。
图1A示出了根据本公开的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的总体设计的示意性截面图。图1B示出了图1A中VCSEL器件的核心部分的详细结构。
通常，VCSEL器件包括下部晶片部分和上部再生长部分。下部晶片部分将通过融合工艺与上部再生长部分键合。下部晶片部分包括半导体晶片和底部GaAs DBR。半导体晶片可以是GaAs晶片或衬底的GaAs板。上部再生长部分包括光学腔中的有源层和基于电介质的顶部DBR反射镜，而不是基于半导体的顶部反射镜。引入了诸如气隙和光栅等附加特征以增强有源腔中的光学限制。也可以在电互连结构中添加电介质DBR层。具体设计和结构将在以下附图图1至图7中详细公开。
在图1A中，VCSEL器件100包括底部GaAs衬底110、包含砷化镓的底部分布式布拉格反射器(DBR)以及制造在底部衬底110上的砷化铝镓层(GaAs/AlGaAs)120。包括MQL 151和隧道结(TJ)160的核心层150的堆叠被附接到底部DBR 120的顶部，附接界面157被融合在底部DBR 120与堆叠150的底部之间。顶部介电分布式布拉格反射器(DBR)140被附接到堆叠150的顶部。
图1B所示的核心堆叠150包括MQL 151。在MQL 151下方存在中间n-InP(n掺杂InP)层153，并且在融合界面157上方存在另一个较厚的n-InP层156。中间有源n-InP层153被图案化以给制造在较厚n-InP层156上的阴极层159提供空间。蚀刻停止层155可以形成在下n-InP层156上，以用于正确地图案化核心堆叠150。
在MQL 151之上，堆叠150还包括在MQL 151上形成的n-InP层154、p-InAlAs层155和在p-InAlAs层155上图案化的TJ层160。在一些情况下，p-InAlAs上可以存在蚀刻停止层i-InP，以更好地定义图案化。较厚的n-InP层152沉积在TJ层160上，作为有源InP基结构和p-InAlAs 155上的电n-InP接触再生长层。顶部电介质DBR柱140沉积在n-InP层152的顶部上。薄阳极接触层158沉积在靠近顶部介电层140的n-InP层152上，在一些情况下(作为选项)部分被顶部电介质DBR 140的层覆盖。这将允许顶部DBR柱140的直径远高于TJ 160的直径。
图2A图示了根据本公开的第二实施方式的在结构的GaAs部分中包括气隙的VCSEL器件的示意性截面图。图2B示出了图2A中VCSEL器件的核心部分的详细结构。本发明的第二实施方式描述了在腔体中具有内置气隙的结构。
在图2A中，VCSEL器件200包括底部GaAs衬底210、包含砷化镓的底部分布式布拉格反射器(DBR)以及制造在底部衬底210上的砷化铝镓配对层(GaAs/AlGaAs)220。在键合之前，存在在GaAs基部分中形成的用于气隙280的凹陷部。为此，底部DBR 220具有额外的GaAs层，其将用作常规DBR结构220的顶部上的气隙间隔物281和AlGaAs蚀刻停止层282(与图1B中描绘的结构相比)。
包括MQL 251和隧道结(TJ)260的核心层250的堆叠被附接在底部DBR 220上方的气隙间隔层281的顶部上，并且界面257被融合在底部DBR 220上方的气隙间隔层281与InP层的底部之间。顶部介电分布式布拉格反射器(DBR)240被附接到堆叠250的顶部。
图2B所示的核心堆叠250包括MQL 251。在MQL 251下方存在中间n-InP(n掺杂InP)层253，并且在融合界面257上方存在另一个较厚的n-InP层256。中间有源n-InP层253被图案化以给制造在较厚n-InP层256上的阴极层259提供空间。蚀刻停止层255可以形成在下n-InP层256上，以用于正确地图案化核心堆叠250。
在MQL 251上，堆叠250还包括形成在MQL 251上的n-InP 254的有源层、p-InAlAs层255、在p-InAlAs层255上图案化的TJ层260，可能存在p-InAlAs层255上的蚀刻停止层i-InP以更好地限定图案化。较厚的n-InP层252沉积在TJ 260上，作为有源InP基结构和p-InAlAs255上的电n-InP接触再生长层。顶部电介质DBR柱240沉积在n-InP层252的顶部上。薄阳极接触层258沉积在靠近顶部介电层240的n-InP层252上，在一些情况下(作为选项)部分被顶部电介质DBR 240的层覆盖。这将允许顶部DBR柱240的直径保持远高于TJ 260的直径。
图3A图示了根据本公开的示例性实施方式的在结构的InP部分中包括气隙的VCSEL器件的示意性截面图。图3B示出了图3A中VCSEL器件的核心部分的详细结构。本发明的第三实施方式描绘了在腔体的InP部分中具有内置气隙的结构。
在图3A中，VCSEL器件300包括底部GaAs衬底310和包含砷化镓的底部分布式布拉格反射器(DBR)以及制造在底部衬底310上的砷化铝镓配对层(GaAs/AlGaAs)320。在键合到衬底310上的GaAs/AlGaAs DBR 320之前，存在在n-InP基部分356中形成的用于气隙380的空隙。底部DBR 320不具有额外的GaAs层(与图2B中描绘的结构相比)。
包括MQL 351和隧道结(TJ)360的核心层350的堆叠被附接在底部DBR 320的顶部上，并且附接界面357被融合在气隙所在的InP层356与底部DBR 320的顶部之间。顶部介电分布式布拉格反射器(DBR)240被附接到堆叠250的顶部。
图3B所示的核心堆叠350包括MQL 351。在MQL 351下方存在中间有源n-InP(n掺杂InP)层353和较厚的n-InP层356，其中气隙位于融合界面357上。中间有源n-InP层353被图案化以给制造在较厚n-InP层356上的阴极层359提供空间。蚀刻停止层可以形成在下n-InP层356上，以用于正确地图案化核心堆叠350。
在MQL 351上，堆叠350还包括形成在MQL 351上的n-InP 354的有源层、p-InAlAs层355、在p-InAlAs层355上图案化的TJ层360，并且在一些情况下，可能存在p-InAlAs层355上的蚀刻停止层i-InP以更好地限定图案化。较厚的n-InP层352沉积在TJ 360上，作为有源InP基结构和p-InAlAs 355上的电n-InP接触再生长层。顶部电介质DBR柱340沉积在n-InP层352的顶部上。薄阳极接触层358沉积在靠近顶部介电层340的n-InP层352上，在一些情况下(作为选项)部分被顶部电介质DBR 340的层覆盖。这将允许顶部DBR柱340的直径保持远高于TJ 360的直径。图3B还示出了提出在键合之前在InP基结构中制造气隙380的实施方式中的一种可能布置的图片。对于本领域技术人员来说，鉴于本公开将理解这只是几种可能配置中的一种。
图4图示了根据本公开的示例性实施方式的在顶部DBR中包括介电层作为接触焊盘的一部分的VCSEL器件的示意性截面图。
在图4中，VCSEL器件400包括底部GaAs衬底410、包含砷化镓的底部分布式布拉格反射器(DBR)以及制造在底部衬底410上的砷化铝镓配对层(GaAs/AlGaAs)420。存在在GaAs基部分中形成用于气隙480的凹陷部。类似于图2A中的器件，底部DBR 420具有额外的GaAs层，其将用作常规DBR结构420的顶部上的气隙间隔物481。MQL 451夹在MQL下方的n-InP层456与MQL上方的453之间。TJ层460被制造在MQL层451上方。
在TJ 460上方的n-InP层上制造顶部电介质DBR 440作为用于光学限制的顶部反射镜。其他两个电介质DBR 441和442被制造为电触点焊盘。顶部电介质DBR 441被构建在有源堆叠一侧的底部GaAs/AlGaAs DBR420上，以用作阴极层459的触点焊盘。DBR 442被构建在有源堆叠的另一侧的底部GaAs/AlGaAs DBR420上，以用作阳极层458的触点焊盘。DBR441和442都被聚合物层(例如BCB，B级双苯并环丁烯)覆盖。阴极焊盘441连接到MQL 451下方的n-InP层456，并且阳极焊盘442连接到MQL 451上的n-InP层453。金属电极，通常是金(Au)，用作连接到触点焊盘441或442的引线。
顶部DBR的介电层可以形成触点焊盘的一部分以降低触点焊盘电容。这种可能性可以应用于气隙的所有配置。
图5图示了根据本公开的示例性实施方式的具有形成在底部GaAs DBR的顶部上的气隙的底部上的光栅的VCSEL器件的示意性截面图。在图5中，光栅用作腔外光学元件，以用于在底部GaAs DBR的顶部上形成的气隙的底部上进行光学模式控制。
在图5中，VCSEL器件500包括下部晶片部分和上部再生长部分。下部晶片部分将通过融合工艺与上部再生长部分键合。下部晶片部分包括半导体晶片、底部DBR和气隙中的光栅。半导体晶片可以是GaAs晶片或衬底的GaAs板(图5中未示出)、包含制造在GaAs衬底上的砷化镓和砷化铝镓配对层(GaAs/AlGaAs)520的底部分布式布拉格反射器(DBR)。在将所述下部部分键合到有源腔之前，存在在DBR 520的顶部上的GaAs层中形成的用于气隙580的凹陷部。为此目的，底部DBR 520具有额外的GaAs层，其将用作气隙间隔物581和在气隙隔离物581下方的常规DBR结构520的顶部上的AlGaAs蚀刻停止层586(与图1B中描绘的结构相比)。光栅590通过光刻/蚀刻工艺在底部GaAs DBR 520的顶部上的气隙的底表面上被图案化，作为用于光学模式控制的腔外光学元件。与使气隙图案化相比，光栅590制造需要高分辨率图案化。通常，可以应用电子束或光刻来实现所需的光栅分辨率。包括两个蚀刻停止层585和586以定义两种类型的结构，因为586用于停止气隙的蚀刻，并且585用于停止气隙580中的光栅特征的蚀刻。
半导体衬底、DBR和气隙光栅结构上方的层堆叠包括有源光学腔、顶部反射镜和电互连件。有源光学腔包括MQL 551。在MQL 551下方存在n-InP(n掺杂InP)层553和另一较厚的n-InP层556。
当下部部分被晶片键合到上部有源腔时，在气隙间隔层581与厚n-InP层之间形成融合层557。中间有源n-InP层553被图案化以给制造在较厚n-InP层556上的阴极层559提供空间。
再生长层中的有源腔还包括形成在MQL 551上的n-InP 554层、p-InAlAs层555、在p-InAlAs层555上图案化的TJ层560，并且在一些情况下在p-InAlAs层555上可能存在蚀刻停止层(图5中未示出)以更好地定义TJ 560的图案化。较厚的n-InP层552通过在TJ 560上的沉积而再生长，作为有源InP基结构和p-InAlAs 555上的电n-InP接触再生长层。顶部电介质DBR柱540沉积在n-InP层552的顶部上。薄阳极接触层558沉积在靠近顶部电介质DBR层540的n-InP层552上，在一些情况下(作为选项)部分被顶部电介质DBR 540的层覆盖。这将允许顶部DBR柱540的直径保持远高于TJ 560的直径。
电介质DBR层540由多对Si和SiOx层形成。以长波红外光波长的四分之一周期布置的Si和SiOx的折射率的差异形成高反射面作为光学腔的顶部反射镜。
图6图示了根据本公开的示例性实施方式的在InP层中的气隙中具有光栅的VCSEL器件的示意性截面图。光栅用作腔内光学元件，以用于在气隙的InP基侧上进行模式控制。
在图6中，VCSEL器件600包括下部晶片部分和上部再生长部分。下部晶片部分将通过融合工艺与上部再生长部分键合。下部晶片部分包括半导体晶片和底部DBR。半导体晶片可以是GaAs晶片或衬底的GaAs板(图6中未示出)和包含制造在GaAs衬底上的砷化镓和砷化铝镓配对层(GaAs/AlGaAs)620的底部分布式布拉格反射器(DBR)。
半导体衬底和DBR上方的层堆叠包括有源光学腔、顶部反射镜和电互连件。有源光学腔包括MQL 651、MQL 651下方的有源n-InP(n掺杂InP)层653和另一个较厚的n-InP层656。融合层657设置在下部GaAs DBR 620与较厚的n-InP 656之间。可以在键合之前在较厚的n-InP层656中图案化并形成凹陷部作为气隙680。中间有源n-InP层653被图案化以给制造在较厚n-InP层656上的阴极层659提供空间。
再生长层中的有源腔还包括形成在MQL 651上的n-InP 654层、p-InAlAs层655、在p-InAlAs层655上图案化的TJ层660，并且在一些情况下在p-InAlAs层655上可能存在蚀刻停止层(图6中未示出)以更好地定义TJ 660的图案化。较厚的n-InP层552通过在TJ 660上的沉积而再生长，作为有源InP基结构和p-InAlAs 655上的电n-InP接触再生长层。顶部电介质DBR柱640沉积在n-InP层652的顶部上。薄阳极接触层658沉积在靠近顶部介电层640的n-InP层652上，在一些情况下(作为选项)部分被顶部电介质DBR 640的层覆盖。这将允许顶部DBR柱640的直径保持远高于TJ 660的直径。
电介质DBR层640由多对Si和SiOx层形成。以长波红外光波长的四分之一周期布置的Si和SiOx的折射率的差异形成高反射面作为光学腔的顶部反射镜。
在层n-InP 656中的气隙的顶表面上用光刻/蚀刻工艺图案化光栅690作为用于光学模式控制的腔内光学元件。与使气隙图案化相比，光栅690的制造需要高分辨率图案化。通常，可以应用电子束或光刻来实现光栅分辨率需求。可能需要用于气隙和光栅的蚀刻停止层来限定结构，尽管蚀刻停止层未在图6中示出。
图7A图示了根据本公开的其他实施方式的具有设置在融合界面上的光栅的VCSEL器件的示意性截面图。图7B示出了图7A中VCSEL器件的核心部分的详细结构。在图7A和图7B中，在结构的GaAs部分的融合界面上形成光栅。
在图7A中，VCSEL器件700包括底部GaAs衬底710、包含砷化镓的底部分布式布拉格反射器(DBR)以及制造在底部衬底710上的砷化铝镓配对层(GaAs/AlGaAs)720、在融合界面处的光栅层790、核心层堆叠750、以及顶部电介质DBR 740。
核心层750的堆叠包括MQL 751和隧道结(TJ)760、在底部DBR 720与InP层756的底部之间融合的界面757、以及顶部电介质DBR 740。
在将半导体晶片键合到InP基有源光学腔之前完成光栅结构790的图案化。光栅工艺在顶部GaAs层中进行。DBR 720上的下一个AlGaAs层可以用作蚀刻停止层以定义光栅蚀刻的深度。
核心堆叠750，如图7B所示，包括MQL 751、MQL 751下方的中间n-InP(n掺杂InP)层753、以及在n-InP层753下方和在其中制造光栅790的融合界面757上的较厚n-InP层756。中间有源n-InP层753被图案化以给制造在较厚n-InP层756上的阴极层759提供空间。蚀刻停止层(图7B中未示出)可以形成在下n-InP层756上，以用于正确地图案化核心堆叠750。
在MQL 751上，堆叠750还包括形成在MQL 751上的n-InP754层、p-InAlAs层755、在p-InAlAs层755上图案化的TJ层760，并且在一些情况下在p-InAlAs层755上可能存在蚀刻停止层(图7B中未示出)以更好地限定图案化。较厚的n-InP层752沉积在TJ 760上，作为有源InP基结构和p-InAlAs 755上的电n-InP接触再生长层。顶部电介质DBR柱740沉积在n-InP层752的顶部上。薄阳极接触层758沉积在靠近顶部介电层740的n-InP层752上，在一些情况下(作为选项)部分被顶部电介质DBR 740的层覆盖。这将允许顶部DBR柱740的直径保持远高于TJ 760的直径。
在融合层757中置换光栅790具有在具有腔内光栅的结构中呈现低热阻的优点。
受益于前述描述和相关附图中呈现的教导，本领域的技术人员将想到本文阐述的本发明的许多修改和其他实施方式。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施方式，并且修改和其他实施方式旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管在此采用特定术语，这些特定术语仅以一般和描述性意义使用，并且并非用于限制。
在利用实施方式的各个方面中，根据本公开内容，对于本领域技术人员而言容易理解的是，上述实施方式的组合或变化可以用于制造光耦合结构。尽管已经用结构特征和/或方法动作特定的语言描述了实施方式，但是应当理解，所附权利要求不必限于所描述的具体特征或动作。相反，所公开的特定特征和动作应理解为用于说明的权利要求的实施方式。因此，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施方式，并且修改和其他实施方式旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管在此采用特定术语，这些特定术语仅以一般和描述性意义使用，并且并非用于限制。

Claims (31)

1.一种垂直腔面发射激光器（VCSEL），包括：
第一衬底；
第一反射器，所述第一反射器设置在所述第一衬底上，其中所述第一反射器包括分布式布拉格反射器（DBR），所述分布式布拉格反射器包括多层交替的半导体材料；
第二反射器，其中所述第二反射器包括分布式布拉格反射器（DBR），所述分布式布拉格反射器包括多个交替的介电层；以及
有源区结构，所述有源区结构设置在所述第一反射器与所述第二反射器之间，其中所述有源区的底部和所述第一反射器的顶部经由晶片键合工艺形成融合界面层。
2.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述有源区结构包括：
多量子阱层（MQL），其中所述MQL设置在面向所述第一反射器的底侧的第一组有源半导体层与面向所述第二反射器的顶侧的第二组有源半导体层之间；
其中所述第一组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第一半导体层和远离所述MQL设置的第二半导体层；
其中第一蚀刻停止层设置在所述第一半导体层与所述第二半导体层之间，以限定用于阴极层的空间；以及
其中在所述MQL的顶侧的所述第二组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第三半导体层、以及设置在远离所述MQL的所述第三半导体层上方的第四半导体层；
隧道结层，所述隧道结层被设置在所述第四半导体层上方并且被图案化以与所述MQL的一部分重叠，其中第二蚀刻停止层设置在所述第四半导体层与所述隧道结层之间以限定所述隧道结层；以及
第五半导体层，所述第五半导体层在所述隧道结层和所述第二蚀刻停止层上方；
其中所述第二反射器被制作在所述第五半导体层上，并且其中阳极层设置在靠近所述第二反射器的所述第五半导体层上。
3.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述VCSEL被配置为发射波长范围在1200纳米（nm）至1650 nm内的激光。
4.根据权利要求1所述的VCSEL，并且其中所述第一反射器中的所述多层交替半导体材料包括未掺杂的砷化铝镓（AlGaAs）和砷化镓（GaAs）层。
5.根据权利要求3所述的VCSEL，其中所述第二反射器中的所述多个交替的介电层包括以所述激光波长的四分之一的周期布置的交替的硅和氧化硅层对。
6.根据权利要求2所述的VCSEL，其中所述第一半导体层和所述第二半导体层都是n掺杂磷化铟（n-InP）层。
7.根据权利要求2所述的VCSEL，其中所述第三半导体层和所述第五半导体层都是n掺杂磷化铟（n-InP）层，并且其中所述第四半导体层是p掺杂砷酸铟铝（p-InAlAs）层。
8.根据权利要求2所述的VCSEL，其中所述隧道结层包括n++掺杂的InGaAlAs和p++掺杂的InGaAlAs。
9.根据权利要求1所述的VCSEL，其中所述第一衬底是GaAs晶片。
10.根据权利要求2所述的VCSEL，还包括：
布置在所述第一反射器上的阴极焊盘，其中所述阴极焊盘包括阴极电介质DBR堆叠、所述阴极电介质DBR堆叠上的聚合物层以及所述聚合物层上的金属阴极电极，其中所述金属阴极电极电连接至所述阴极层；以及
布置在所述第一反射器上的阳极焊盘，其中所述阳极焊盘包括阳极电介质DBR堆叠、所述阳极电介质DBR堆叠上的聚合物层以及所述聚合物层上的金属阳极电极，其中所述金属阳极电极电连接至所述阳极层。
11.一种垂直腔面发射激光器（VCSEL），包括：
第一衬底；
第一反射器，所述第一反射器设置在所述第一衬底上，其中所述第一反射器包括分布式布拉格反射器（DBR），所述分布式布拉格反射器包括多层交替的第一半导体材料和第二半导体材料；
第二反射器，其中所述第二反射器包括分布式布拉格反射器（DBR），所述分布式布拉格反射器包括多个交替的介电层；
有源区结构，所述有源区结构设置在所述第一反射器与所述第二反射器之间；以及
包含气隙的气隙间隔层和形成在所述第一反射器上的气隙蚀刻停止层，其中所述气隙间隔层包括所述第一半导体材料并且所述气隙蚀刻停止层包括所述第二半导体材料；
其中所述有源区的底部和所述气隙间隔层的顶部经由晶片键合工艺形成融合界面层。
12.根据权利要求11所述的VCSEL，其中所述有源区结构包括：
MQL，其中所述MQL设置在面向所述第一反射器的底侧的第一组有源半导体层与面向所述第二反射器的顶侧的第二组有源半导体层之间；
其中所述第一组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第一半导体层和远离所述MQL设置的第二半导体层；
其中第一蚀刻停止层设置在所述第一半导体层与所述第二半导体层之间，以限定用于阴极层的空间；以及
其中在所述MQL的顶侧的所述第二组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第三半导体层、以及设置在远离所述MQL的所述第三半导体层上方的第四半导体层；
隧道结层，所述隧道结层被设置在所述第四半导体层上方并且被图案化以与所述MQL的一部分重叠，其中第二蚀刻停止层设置在所述第四半导体层与所述隧道结层之间以限定所述隧道结层；以及
第五半导体层，所述第五半导体层在所述隧道结层和所述第二蚀刻停止层上方；
其中所述第二反射器被制作在所述第五半导体层上，并且其中阳极层设置在靠近所述第二反射器的所述第五半导体层上。
13.根据权利要求11所述的VCSEL，其中所述VCSEL被配置为发射波长范围在1200纳米（nm）至1650 nm内的激光。
14.根据权利要求11所述的VCSEL，并且其中所述第一反射器中的所述第一半导体材料包括未掺杂的砷化镓（GaAs），并且所述第一反射器中的所述第二半导体材料包括未掺杂的砷化铝镓（AlGaAs）。
15.根据权利要求12所述的VCSEL，其中所述第二反射器中的所述多个交替的介电层包括以所述激光波长的四分之一的周期布置的交替的硅和氧化硅层对。
16.根据权利要求11所述的VCSEL，其中所述气隙包括光栅结构，其中所述光栅结构与所述隧道结对准并且特征在于增强所述VCSEL激光器的光学限制。
17.根据权利要求12所述的VCSEL，其中所述有源区结构中的所述第一半导体层和所述第二半导体层都是n掺杂磷化铟（n-InP）层。
18.根据权利要求11所述的VCSEL，其中所述第三半导体层和所述第五半导体层都是n掺杂磷化铟（n-InP）层，并且其中所述第四半导体层是p掺杂砷酸铟铝（p-InAlAs）层。
19.根据权利要求11所述的VCSEL，其中所述隧道结层包括n++掺杂的InGaAlAs和p++掺杂的InGaAlAs。
20.根据权利要求11所述的VCSEL，其中所述第一衬底是GaAs晶片。
21.根据权利要求11所述的VCSEL，还包括：
布置在所述第一反射器上的阴极焊盘，其中所述阴极焊盘包括阴极电介质DBR堆叠、所述阴极电介质DBR堆叠上的聚合物层以及所述聚合物层上的金属阴极电极，其中所述金属阴极电极电连接至所述阴极层；以及
布置在所述第一反射器上的阳极焊盘，其中所述阳极焊盘包括阳极电介质DBR堆叠、所述阳极电介质DBR堆叠上的聚合物层以及所述聚合物层上的金属阳极电极，其中所述金属阳极电极电连接至所述阳极层。
22.一种垂直腔面发射激光器（VCSEL），包括：
第一衬底；
第一反射器，所述第一反射器设置在所述第一衬底上，其中所述第一反射器包括分布式布拉格反射器（DBR），所述分布式布拉格反射器包括多层交替的第一半导体材料和第二半导体材料；
第二反射器，其中所述第二反射器包括分布式布拉格反射器（DBR），所述分布式布拉格反射器包括多个交替的介电层；以及
有源区结构，所述有源区结构设置在所述第一反射器与所述第二反射器之间；
其中所述有源区的底部和所述第一反射器的顶部经由晶片键合工艺形成融合界面层；
其中所述有源区结构包括：
MQL，其中所述MQL设置在面向所述第一反射器的底侧的第一组有源半导体层与面向所述第二反射器的顶侧的第二组有源半导体层之间；
其中所述第一组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第一半导体层和远离所述MQL设置的第二半导体层；
其中在所述融合界面层上方的所述第二半导体层中形成气隙；
其中第一蚀刻停止层设置在所述第一半导体层与所述第二半导体层之间，以限定所述有源区结构的图案化工艺，以便提供用于阴极层的空间；以及
其中在所述MQL的所述顶侧的所述第二组有源半导体层包括与所述MQL直接接触设置的第三半导体层、设置在远离所述MQL的所述第三半导体层上方的第四半导体层；
隧道结层，所述隧道结层被设置在所述第四半导体层上方并且被图案化以与所述MQL的一部分重叠，其中第二蚀刻停止层设置在所述第四半导体层与所述隧道结层之间以限定所述隧道结层的图案化工艺；以及
第五半导体层，所述第五半导体层在所述隧道结层和所述第二蚀刻停止层上方；
其中所述第二反射器被制作在所述第五半导体层上，并且其中阳极层设置在靠近所述第二反射器的所述第五半导体层上。
23.根据权利要求22所述的VCSEL，其中所述VCSEL被配置为发射波长范围在1200纳米（nm）至1650 nm内的激光。
24.根据权利要求22所述的VCSEL，并且其中所述第一反射器中的所述第一半导体材料包括未掺杂的砷化镓（GaAs），并且所述第一反射器中的所述第二半导体材料包括未掺杂的砷化铝镓（AlGaAs）。
25.根据权利要求23所述的VCSEL，其中所述第二反射器中的所述多个交替的介电层包括以所述激光波长的四分之一的周期布置的交替的硅和氧化硅层对。
26.根据权利要求22所述的VCSEL，其中所述气隙包括光栅结构，其中所述光栅结构与所述隧道结对准并且特征在于增强所述VCSEL激光器的光学限制。
27.根据权利要求22所述的VCSEL，其中所述有源区结构中的所述第一半导体层和所述第二半导体层都是n掺杂磷化铟（n-InP）层。
28.根据权利要求22所述的VCSEL，其中所述第三半导体层和所述第五半导体层都是n掺杂磷化铟（n-InP）层，并且其中所述第四半导体层是p掺杂砷酸铟铝（p-InAlAs）层。
29.根据权利要求22所述的VCSEL，其中所述隧道结层包括n++掺杂的InGaAlAs和p++掺杂的InGaAlAs。
30.根据权利要求22所述的VCSEL，其中所述第一衬底是GaAs晶片。
31.根据权利要求22所述的VCSEL，还包括：
布置在所述第一反射器上的阴极焊盘，其中所述阴极焊盘包括阴极电介质DBR堆叠、所述阴极电介质DBR堆叠上的聚合物层以及所述聚合物层上的金属阴极电极，其中所述金属阴极电极电连接至所述阴极层；以及
布置在所述第一反射器上的阳极焊盘，其中所述阳极焊盘包括阳极电介质DBR堆叠、所述阳极电介质DBR堆叠上的聚合物层以及所述聚合物层上的金属阳极电极，其中所述金属阳极电极电连接至所述阳极层。
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