專利名稱：半導體激光器件的制作方法
技術領域：
本發明大致涉及半導體激光器件，具體涉及其中邊發射激光器與反射器于同一芯片上集成在一起以形成面發射半導體激光器件的半導體激光器件。
背景技術：
半導體激光器通常用在通信及數據通信網絡的光學收發器中。用在這種光學收發器中的激光器通常為邊發射型。用于光學收發器的邊發射型激光器通過標準光刻和外延的方法在半導體晶片上被制造，被切割成芯片，并且每個芯片的一部分均被涂布反射及防反射涂層。然后可以測試成品芯片。希望制造步驟的數目最小化，并提高易測性。終端用戶通常優選垂直腔面發射激光器(VCSEL)，這是因為其無需進行束形校正，具有與光纖的較高耦合效率，由此降低了測試/封裝成本。但是，目前，一些VCSEL在被制造以進行高速工作時，存在與單一模式產量控制相關的問題。業界已經致力于將邊發射器件轉換為垂直發射器件。例如，美國專利號7，245，645B2揭示了一個或兩個激光面，其以45度的角度被蝕刻以形成垂直反射激光束的45度鏡面。但是,在該方案中,45度鏡面處于激光器腔內。將蝕刻的鏡面設置在激光器腔內部需要在制造過程中進行高質量的面蝕刻。在面蝕刻處理過程中發生的任何面損壞均會引起可靠性的問題，在大功率下工作尤其嚴重。美國專利號5，671，243揭示了使用處于激光器腔之外的常規90度激光面，但在同一芯片中，存在反射鏡，其將激光束沿表面的方向導向。因為鏡形成在有源層內，故不能夠調節鏡的高度及位置。為此，難以或不能夠對結構進行優化。轉讓給本申請的申請人的美國專利號7，450，621揭示了一種克服上述很多困難的技術。該專利揭示了一種半導體器件，其中衍射透鏡與邊發射激光器在同一芯片上集成。衍射透鏡以單片形式與邊發射激光器集成在磷化銦(InP)襯底材料上。將衍射透鏡以單片形式集成在其中集成有邊發射激光器的同一芯片上要求執行多次電子束光刻(EBL)曝光以及干法蝕刻處理，由此會增加器件的制造成本。希望提供一種面發射半導體器件，其實現邊發射激光器的功能以獲得與其相關的優點，并且具有較低的制造及測試成本。

發明內容
本發明涉及面發射半導體激光器件以及用于制造該器件的方法。該器件包括襯底，其具有上表面及下表面；布置在襯底上的多個半導體層，形成在半導體層中以產生具有激射波長的激光的邊發射激光器，形成在半導體層中的溝道；設置在溝道中的聚合物材料，以及布置在聚合物材料的大致面對激光器的第二端面的斜側面上的反射器。在激光器工作過程中，離開第二端面的激光的至少一部分沿與襯底的上表面大致垂直的方向被反射器反 射。制造方法包括在襯底上沉積或生長多個半導體層，在一個或多個半導體層中形成半發射激光器以生成具有激射波長的激光，在半導體層中形成溝道，并且在溝道中設置聚合物材料，在聚合物材料的大致面對激光器的第二端面的斜側面上形成反射器。參考以下描述、附圖及權利要求，本發明的這些及其他特征及優點將變的清楚。


圖IA示出了根據示例性、說明性實施例的面發射半導體激光器件的俯視立體圖。圖IB示出了沿圖IA中的線A-A’所取的圖IA所示的面發射半導體激光器件的側視平面圖。圖2A示出了根據另一說明性實施例的面發射半導體激光器件的俯視立體圖。圖2B示出了沿圖2A中的線A-A’所取的圖2A所示的面發射半導體激光器件的側視平面圖。圖3是圖2A及圖2B中所示的面發射半導體激光器件的一部分的俯視平面圖。圖4A-圖4H—起示出了處理步驟次序，其可被用于制造圖1A-2B所示的面發射半導體激光器件。
具體實施例方式本發明涉及面發射半導體激光器件，其中形成在半導體材料中的邊發射激光器以及形成在聚合物材料中的反射器在面發射半導體激光器件中被集成在一起。該器件包括形成在布置在半導體襯底上的半導體材料的各層中的邊發射激光器、布置在與其中形成有邊發射激光器的層橫向相鄰的襯底上的聚合物材料、以及形成在聚合物材料的與邊發射激光器的激光器槽面對的聚合物材料的斜面內或上的反射器。傳播離開邊發射激光器的激光器槽的激光被反射器以大致垂直于反射器上的激光入射角的角度反射，由此使得光沿與其表面大致垂直的方向被導離面發射半導體激光器件。通過在聚合物材料中而非以單片形式在半導體材料中形成反射器，可在為了優化選擇反射器的高度及位置方面提供優勢。另一優勢在于聚合物材料的斜面通過與被用于蝕刻半導體材料的蝕刻處理相分離的蝕刻處理、并使用與用于蝕刻半導體材料不同的氣體系統形成。該特征在設計反射器方面提供了額外的自由度。此外，因為可通過在晶片層執行涂布處理的聚合物材料中形成反射器，可在晶片上(即，在執行分割之前)來測試全部面發射半導體激光器件。該后一特征也降低了制造成本。圖IA示出了根據示例性說明實施例的面發射半導體激光器件I的俯視立體圖。圖IB示出了沿圖IA中的線A-A’所取的在圖IA中所示的面發射半導體激光器件I的側視圖。現將參考圖IA及圖IB來描述根據本說明性實施例的半導體激光器件I。器件I包括半導體襯底2、布置在襯底2的上表面2a上的緩沖層3、形成在一個或更多多量子阱(MQW)有源層以及布置在緩沖層3的頂部上的覆蓋及接觸層5中的邊發射激光器4、與邊發射激光器4橫向相鄰地布置在襯底2的上表面2a上的聚合物材料10、以及布置在聚合物材料10的斜側面IOa上的反射器20。如果參考由X、Y及Z軸定義的笛卡爾坐標系來觀察器件1，斜側面IOa通常(但并非必須)相對于X-Y平面以45度角傾斜。P金屬端子13 (在圖IB中示出，但未在圖IA中示出)形成在面發射半導體激光器件I的位于層5之上的最上層的頂部上。N金屬端子14(在圖IB中示出，但未在圖IA中示出)形成在襯底2的下表面上。根據圖IA及圖IB的說明性實施例，器件I是法布里-珀羅(F-P)激光器件。在F-P激光器件中，為了減小面損失，需要在邊發射激光器的端面上形成高反射性(HR)涂層。在圖IB中，由參考標號15表示的層對應于HR涂層。HR涂層15具有基于邊發射激光器4的腔長度而選擇的反射值。如果HR涂層15的反射值足夠高，則可以省去通常是金屬薄層的反射器20，這是因為HR涂層15將起到反射器的作用，來沿與襯底2的上表面2a大致垂直的方向將由邊發射激光器4發出的激光反射至器件I之外。形成襯底2的材料例如可以是摻雜磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs)。為了示例目的，將假定半導體襯底2由InP制成。還將假定緩沖層3由n型InP制成。層5包括MQW有源區域、一個或更多P型InP間隔層、填充層以及覆蓋及接觸層，通常利用公知MOCVD技術而生成。本領域的技術人員將理解使上述額外層包含在器件I中的設置方式。邊發射激光器4通常為脊結構，例如業內公知的反向臺面脊結構。可用于形成上述脊結構的方法在美國專利號7，539，228中詳細闡述，其被轉讓給本申請的申請人，并通過引用將其全部內容包含在本說明中。如本申請所述，可利用在背景技術部分中描述的常規技術來蝕刻脊結構，或利用在本申請的具體實施方式
部分中描述的技術來生成脊結構。在工作期間，邊發射激光器4大致沿與襯底2的平面平行的軸線發出光束。激光束從邊發射激光器4的出射面射出，并相對于聚合物材料10的斜側面IOa通常以大致45度角入射在反射器20上(或者，如果無需反射器20，則入射在HR涂層15上)。然后，激光束被反射器20 (或被HR涂層15)沿大致朝向聚合物材料10的上表面IOb的方向反射，該方向大致垂直與襯底2的上表面2a。因此，從沿與襯底2的上表面2a大致垂直(即，與器件I的上表面大致垂直)的軸線取向的器件I發出激光束。為此，在此將器件I稱為“面發射”器件。圖2A示出了根據另一示例性說明實施例的面發射半導體激光器件30的俯視立體圖。圖2B示出了沿圖2A中的線A-A’所取的圖2A中所示的面發射半導體激光器件30的側面視圖。圖3示出了圖2A及圖2B所示的器件30的俯視平面圖?，F將參考圖2A、圖2B及圖3來描述根據該說明性實施例的半導體激光器件30。因為圖2A-圖3所示的器件30的一些構件或特征或許與圖IA及IB中所述的器件I的構件或特征相同，故將在這些圖中使用類似的參考標號來表示類似的特征或構件。器件30包括半導體襯底2、布置在襯底2的上表面上的緩沖層3、形成在布置于緩沖層3的頂部上的一個或更多層5中的邊發射激光器4、布置在與邊發射激光器4橫向相鄰的襯底2的上表面上的聚合物材料10、以及布置在聚合物材料10的斜側面IOa上的反射器20。根據圖2A及圖2B的說明性實施例，器件30是分布反饋型(DFB)半導體激光器件，而非F-P半導體激光器件。因此，為了完成光學反饋，在增益耦合DFB的情況下，將光柵35形成在層5的MQW層中；在索引指導DFB的情況下，將光柵35形成在層5的MQW層之外。在DFB激光器中，通常使邊發射激光器的波導相對于Y軸傾斜，以降低在激光器的出射面處的反射。為此，根據圖2A及圖2B所示的說明性實施例，光柵35的光軸36相對于Y軸傾斜第一角度9 1，使得因Snell定律形成下的折射，通過波導傳播的激光相對于Y軸以第二角度0 2從出射面射出。盡管本發明并不限于任何具體的角度范圍，但9 I的值通常介于約5度至15度之間，而0 2通常介于約25度至35度之間。與圖IA及圖IB所示的實施例類似，斜側面IOa通常相對于X-Y平面以45度角傾、斜。根據本實施例，斜側面IOa的平面還繞Z軸轉動第三角度03，其與第二角度02相同，由此激光相對于Z軸及X-Y平面以45度角入射在反射器20上。
圖4A-圖4H示出了一系列制造步驟的示例，其可被用于制造參考圖IA及圖2B所述的半導體激光器件I及30。將參考器件I來描述制造方法?？衫贸Ｒ幖夹g來制造器件I。本領域的技術人員將理解，可以包括制造上述類型的器件時通常使用的圖4A-4H未示出的其他步驟。圖4A-4H是圖IA所示的器件I在制造過程的各個階段的側視立體圖，其中在器件I中形成溝道50及脊結構60。圖1A-4H中的類似標號表示類似的構件或特征。參考圖4A，通常(但并非必須)為二氧化硅(SiO2)膜的第一介電膜45被沉積在層5(例如，填充層、覆蓋層、接觸層)的頂部上。利用常規光刻和干法刻蝕來將被用于定義脊結構的位置及構造的脊掩膜圖案46形成在介電膜45中。參考圖4B，通常(但并非必須)為SiO2的第二介電膜47被沉積在脊掩膜圖案46上，并經過常規光刻和干法刻蝕，由此形成隨后被用于定義溝道的溝道掩膜圖案48。參考圖4C，通常通過使用電感耦合等離子體(ICP)蝕刻來蝕刻圖4B所示的器件1，由此形成溝道50。為此目的使用ICP蝕刻處理的優勢在于，其使得與蝕刻區域相鄰的層的損傷極小，同時將定義溝道50的垂直側的垂直側壁輪廓保持的極佳。參考圖4D，通過使用反應離子蝕刻(RIE)處理來去除圖4C所示的溝道掩膜圖案48，由此僅留下圖4A所示的脊掩膜圖案46以及圖4C所示的溝道50。參考圖4E，然后使用RIE或ICP來形成脊結構60，而無需其他光刻對準。參考圖4F，然后去除脊掩膜圖案46以暴露脊結構60。參考圖4G，通過涂布及回蝕處理，由聚合物材料10來填充溝道50。參考圖4H，通過標準光刻/蝕刻技術或通過壓印技術，將斜側面IOa形成在聚合物材料10中或聚合物材料10上，后者使用具有與聚合物材料10的希望形狀補充的形狀的母掩模(為了清楚起見，未示出)，使得在其中形成斜側面10a。壓印技術是低成本制造技術，其允許極大降低與制造器件I相關的整體成本。如圖4H所示，在已經在聚合物材料10中形成斜側面IOa之后，然后在器件I (圖IA及圖1B)上形成HR涂層15、p金屬端子13以及反射器20 (如果需要)。為了清楚起見，在圖4H中未示出端子13及14，HR涂層15以及反射器20。以上參考圖4A-4H所述為了形成器件I的制造處理與將用于形成器件30的處理大致相同，區別在于使用額外的處理步驟來形成光柵35 (圖2B)，并且改變其他一些步驟以使邊發射激光器4的波導傾斜，并且在器件30中使用AR涂層，而非HR涂層。本領域的技術人員將理解執行這些額外步驟的情形。因此，為了簡潔，這里將不描述這些額外步驟。為了描述本發明的原理及概念，已經參考了一些說明示例性實施例描述了本發明。但是，通過理解這里的描述，本領域的技術人員將理解，本發明并不限于這些實施例。例如，雖然已經使用InP描述了器件I及30的襯底2及其他層，但襯底2及其他層可包括任何合適的材料，例如GaAs襯底、鋁鎵(AlGa)、鋁鎵砷化銦(AlGaInAs)等。此外，可以使用各種其他金屬構造用于P金屬及n金屬端子。面發射半導體激光器件I及30可類似于橫向單模或多模激光器，或者類似于縱向單模激光器工作。本領域的技術人員將理解可對這里描述的實施例進行各種修改，本發明意在涵蓋全部這些修改及改變。
權利要求
1.一種面發射半導體激光器件，包括 襯底，其具有上表面及下表面； 多個半導體層，其至少包括最下層以及最上層，其中，所述最下層被布置在所述襯底的所述上表面上，所述多個半導體層具有形成在其中的邊發射激光器，用于在所述激光器被激發時產生具有激射波長的激光，所述激光器具有第一端面及第二端面，其中，當所述激光器被激發時，具有所述激射波長的所述激光通過所述第二端面離開所述激光器； 形成在所述多個半導體層中一個或多個層中的溝道； 設置在所述溝道中的聚合物材料，所述聚合物材料至少包括下表面及斜側面，所述聚合物材料的所述下表面與所述溝道接觸，所述斜側面大致面對所述邊發射激光器的所述第二端面；以及 布置在所述聚合物材料的所述斜側面上的反射器，其中，離開所述邊發射激光器的所述第二端面的所述激光的至少一部分入射在所述反射器上，并且沿與所述襯底的所述上表面大致垂直的方向被所述反射器反射。
2.根據權利要求I所述的面發射半導體激光器件，其中，所述反射器包括布置在所述聚合物材料的所述斜側面上的金屬層。
3.根據權利要求2所述的面發射半導體激光器件，其中，所述邊發射激光器是法布里-珀羅(F-P)激光器，并且其中，所述金屬層是高反射率(HR)涂層的一部分，其涂布所述邊發射激光器的所述第一端面及所述第二端面，以及所述聚合物材料的所述斜側面。
4.根據權利要求2所述的面發射半導體激光器件，其中，所述邊發射激光器是分布反饋型(DFB)激光器，并且其中，所述邊發射激光器的所述第一端面及第二端面以及所述聚合物材料的所述斜側面被防反射(AR)涂層涂布，并且其中，所述反射器被布置在所述AR涂層上。
5.根據權利要求2所述的面發射半導體激光器件，其中，所述邊發射激光器是法布里-珀羅(F-P)激光器，并且其中，所述邊發射激光器的所述第一端面及第二端面以及所述聚合物材料的所述斜側面被高反射率(HR)涂層涂布，并且其中，包括所述反射器的所述金屬層被布置在所述HR涂層上。
6.根據權利要求I所述的面發射半導體激光器件，其中，所述聚合物材料的所述斜側面為大致平坦表面，其相對于所述襯底的所述上表面成一定角度。
7.根據權利要求6所述的面發射半導體激光器件，其中，所述角度大致為45度。
8.根據權利要求7所述的面發射半導體激光器件，其中，離開所述第二端面的激光沿所述邊發射激光器的波導傳播，所述波導具有光軸，所述光軸相對于所述斜側面的所述大致平坦表面成大致45度的角度。
9.根據權利要求8所述的面發射半導體激光器件，其中，所述邊發射激光器的所述波導的所述光軸與所述襯底的所述上表面大致平行。
10.一種制造面發射半導體激光器件的方法，所述方法包括以下步驟 在襯底上，沉積或生長至少包括最下層及最上層的多個半導體層，其中，所述最下層被布置在所述襯底的上表面上； 在所述多個半導體層中一個或更多層中，形成用于產生具有激射波長的激光的邊發射激光器，所述激光器具有第一端面及第二端面，其中，如果所述激光器被激發，則由所述激光器產生的所述激光通過所述第二端面； 在所述多個半導體層中形成溝道； 在所述溝道中設置聚合物材料，所述聚合物材料至少包括下表面及斜側面，所述斜側面大致面對所述邊發射激光器的所述第二端面；并且 在所述聚合物材料的所述斜側面上形成反射器。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述反射器包括金屬層。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，所述邊發射激光器是法布里-珀羅(F-P)激光器，所述方法還包括以下步驟 在形成所述反射器之前，利用高反射率(HR)涂層來涂布所述邊發射激光器的所述第一端面及第二端面以及所述聚合物材料的所述斜側面，并且其中，將所述反射器布置在所述HR涂層上。
13.根據權利要求11所述的方法，其中，所述邊發射激光器是分布反饋型(DFB)激光器，所述方法還包括以下步驟 在形成所述反射器之前，利用防反射(AR)涂層來涂布所述邊發射激光器的所述第一端面及第二端面以及所述聚合物材料的所述斜側面，并且其中，將所述反射器布置在所述AR涂層上。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，所述邊發射激光器是法布里-珀羅(F-P)激光器，并且其中，形成所述反射器的所述步驟包括利用高反射率(HR)涂層來涂布所述邊發射激光器的所述第一端面及第二端面以及所述聚合物材料的所述斜側面，并且其中，包括所述反射器的所述金屬層被布置在所述HR涂層上。
15.根據權利要求10所述的方法，其中，所述聚合物材料的所述斜側面為大致平坦表面，其相對于所述襯底的所述上表面成一定角度。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述角度大致為45度。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，所述邊發射激光器具有波導，所述波導具有光軸，所述光軸大致平行于所述襯底的所述上表面，并且相對于所述斜側面的所述大致平坦表面成大致45度的角度。
全文摘要
本發明涉及其中邊發射激光器與反射器集成以形成面發射半導體激光器件的半導體激光器件。該面發射半導體激光器件被設置包括形成在布置于半導體襯底上的各層半導體材料中的邊發射激光器、被布置在襯底上與其中形成有邊發射激光器的層橫向相鄰的聚合物材料、以及形成在聚合物材料的大致面對激光器的出射端面的斜側面中或上的反射器。離開出射端面的激光在被反射器沿與襯底的上表面大致垂直的方向反射離開器件之前傳播通過聚合物材料。
文檔編號H01S5/028GK102629733SQ20121002510
公開日2012年8月8日 申請日期2012年2月1日 優先權日2011年2月1日
發明者方瑞雨, 朱莉安娜·莫若羅, 蓋德·艾伯特·羅格若, 羅伯拓·帕沃勒特, 邁克勒·埃戈斯特 申請人:安華高科技光纖Ip(新加坡)私人有限公司