邊發射蝕刻端面雷射器的製造方法

2023-11-10 02:15:07

邊發射蝕刻端面雷射器的製造方法
【專利摘要】一種雷射器晶片，其具有：襯底；在所述襯底上的外延結構，所述外延結構包括有源區域並且所述有源區域產生光；形成在所述外延結構中的波導，其呈第一方向延伸，所述波導具有限定邊發射雷射器的正蝕刻端面和背蝕刻端面；以及在所述外延結構中形成的第一凹陷區域，所述第一凹陷區域被布置在距所述波導一定距離處並且具有與所述背蝕刻端面相鄰的開口，所述第一凹陷區域促進在分割所述雷射器晶片之前測試相鄰雷射器晶片。
【專利說明】邊發射蝕刻端面雷射器
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求2011年12月8日提交的美國臨時申請號61/568, 383、2012年4月 2日提交的美國臨時申請號61/619, 190和2012年11月30日提交的美國非臨時申請號 13/690, 792的優先權權益，所述每個申請的全部內容通過引用併入本文。

【技術領域】
[0003] 本發明大體涉及蝕刻端面光子裝置，並且更具體來說涉及改進的蝕刻端面光子裝 置及其製造方法。

【背景技術】
[0004] 半導體雷射器通常通過在襯底上經金屬有機化學氣相沉積（M0CVD)和分子束外 延（MBE)生長合適的分層的半導體材料以形成具有平行於所述襯底表面的有源層的外延 結構而製造在晶片上。然後，晶片經多種半導體處理工具處理以產生包括有源層並且包括 附接至半導體材料的金屬觸點的雷射光學共振腔。雷射反射鏡端面（facet)通常通過沿著 半導體材料的晶體結構切割而形成在雷射共振腔的端部以限定雷射光學共振腔的邊緣或 端部使得在觸點兩端施加偏置電壓時，流過有源層的所得的電流使光子以垂直於電流流動 的方向被發射出有源層的邊緣端面。由於半導體材料經切割以形成雷射器端面，所以端面 的位置和定向是受限的；此外，一旦晶片經切割，其通常呈小塊使得常規的光刻技術不能輕 易地用於進一步處理雷射器。
[0005] 使用切割的端面引起的上述和其它困難導致開發通過蝕刻形成半導體雷射器的 反射鏡端面的過程。該過程，如美國專利號4, 851，368所述的，還允許雷射器與相同襯底 上的其它光子裝置單片集成。它還允許晶片級測試而不是切割條（bar)測試，這降低了制 造成本。該工作進一步擴展並且在IEEE期刊Quantum Electronics,第28卷，第5期，第 1227-1231頁，5月，1992中公開了基於蝕刻端面的脊型雷射器工藝。然而，由於從雷射器的 正端面到相鄰雷射器的背端面的雷射輸出的幹擾將使晶片上測試結果失真，所以使用蝕刻 端面的FP和DFB邊發射雷射器不可緊密排列。解決方案是將雷射器間隔開，在相鄰雷射器 之間留下廢棄空間。例如，對於DFB雷射器，該廢棄空間大約ΙΟΟμπι，這顯著降低了可以從 給定晶片產生的有用的雷射器晶片的數量。


【發明內容】

[0006] 在一個方面，本發明一般將邊發射雷射器的特徵描述為能夠被製造成具有在相鄰 雷射器之間的最小廢棄空間。雷射器的正蝕刻端面面對相鄰雷射器的背面的凹陷區域使得 來自第一雷射器的正端面的光可以射出而不會與第二相鄰雷射器的背端面幹擾和背射。
[0007] 本發明可包括具有第一蝕刻端面邊發射半導體雷射器的晶片，所述晶片包含凹陷 區域以允許第二蝕刻端面邊發射半導體雷射器，其與包含第一雷射器的晶片相鄰並且其正 端面面對所述晶片，彼此密集間隔同時在測試第二雷射器的特性期間避免失真。這允許可 以從晶片產生的晶片數量的顯著增加。
[0008] 其它實施方案包括一個或多個下列特徵。凹陷區域可以具有傾斜端壁以使背射最 小化。雷射器的背端面還可面對相鄰雷射器晶片的正面上的凹陷區域並且凹陷區域可具有 成一定角度的端壁。晶片可具有沿著其長度的完全凹陷區域或完全開口並且彼此偏移以使 背射最小化。
[0009] 在一個特定實施方案中，雷射器晶片可包括：襯底；在襯底上的外延結構，所述外 延結構包括有源區域，所述有源區域產生光；形成在外延結構中的波導呈第一方向延伸，所 述波導具有限定邊發射雷射器的正蝕刻端面和背蝕刻端面；以及在所述外延結構中形成的 第一凹陷區域，所述第一凹陷區域被布置在距波導一定距離處並且具有與背蝕刻端面相鄰 的開口，所述第一凹陷區域促進在分割雷射器晶片之前測試相鄰雷射器晶片。
[0010] 根據該特定實施方案的額外的方面，第一凹陷區域具有第一端壁。
[0011] 根據該特定實施方案的額外的方面，第一端壁與第一方向成一定角度而不是與其 垂直。
[0012] 根據該特定實施方案的額外的方面，背蝕刻端面塗覆有高反射材料。
[0013] 根據該特定實施方案的額外的方面，雷射器晶片還可包括在所述外延結構中形成 的並被布置在距波導第二距離處的第二凹陷區域，其具有與正蝕刻端面相鄰的開口，所述 第二凹陷區域包括第二端壁。
[0014] 根據該特定實施方案的額外的方面，第二端壁與第一方向成一定角度而不是與其 垂直。
[0015] 根據該特定實施方案的額外的方面，到第一凹陷區域的開口和到第二凹陷區域的 開口彼此對齊。
[0016] 在另一個特定實施方案中，邊發射雷射器是脊型雷射器。
[0017] 根據該特定實施方案的額外的方面，脊型雷射器是法布裡-珀羅（FP)類型。
[0018] 根據該特定實施方案的額外的方面，脊型雷射器是分布反饋（DFB)類型。
[0019] 根據該特定實施方案的額外的方面，邊發射雷射器是埋置異質結構（BH)雷射器。
[0020] 根據該特定實施方案的額外的方面，BH雷射器是法布裡-珀羅（FP)類型。
[0021] 根據該特定實施方案的額外的方面，BH雷射器是分布反饋（DFB)類型。
[0022] 根據該特定實施方案的額外的方面，襯底是InP。
[0023] 根據該特定實施方案的額外的方面，襯底是GaAs。
[0024] 根據該特定實施方案的額外的方面，襯底是GaN。
[0025] 在另個特定實施方案中，雷射器晶片可包括：襯底；在襯底上的外延結構，所述 外延結構包括有源區域，所述有源區域產生光；形成在外延結構中的第一波導呈第一方向 延伸，所述第一波導具有限定第一邊發射雷射器的第一正蝕刻端面和第一背蝕刻端面；形 成在外延結構中的第二波導呈第一方向延伸，所述第二波導具有限定第二邊發射雷射器的 第二正蝕刻端面和第二背蝕刻端面，在所述外延結構中形成的凹陷區域，所述凹陷區域具 有與第一背蝕刻端面和第二背蝕刻端面中的一個相鄰的開口，所述凹陷區域促進在分割激 光器晶片之前測試相鄰雷射器晶片。
[0026] 根據該特定實施方案的額外的方面，第一和第二邊發射雷射器中的至少一個是脊 型分布反饋（DFB)雷射器。
[0027] 根據該特定實施方案的額外的方面，第一和第二邊發射雷射器中的至少一個是埋 置異質結構（BH)分布反饋（DFB)雷射器。
[0028] 在另一個特定實施方案中，雷射器晶片可包括：襯底；在襯底上的外延結構，所述 外延結構包括有源區域，所述有源區域產生光；形成在外延結構中的波導呈第一方向延伸， 所述波導具有限定邊發射雷射器的正蝕刻端面和背蝕刻端面；以及在所述外延結構中的完 全開口，其呈平行于波導的方向並距所述波導一定距離，促進在分割雷射器晶片之前測試 相鄰雷射器晶片。
[0029] 在以下附圖和說明書中闡述一個或多個實施方案的細節。所述實施方案的其它特 徵、目標和優點從說明書和附圖以及權利要求中將顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 對於本領域的那些技術人員，上述和額外的目標、特徵及優點從結合附圖的優選 實施方案的下列詳細描述中將顯而易見，在所述附圖中：
[0031] 圖1是邊發射蝕刻端面雷射器的透視圖。
[0032] 圖2是類似於圖1的兩個相鄰邊發射蝕刻端面雷射器的俯視平面圖。
[0033] 圖3示出具有在相鄰雷射器之間的相對較小間隔的蝕刻端面法布裡-珀羅邊發射 蝕刻端面雷射器的光對比電流以及光譜特性。
[0034] 圖4示出具有在相鄰雷射器之間的相對較大間隔的蝕刻端面法布裡-珀羅雷射器 的光對比電流以及光譜特性。
[0035] 圖5是根據本發明的邊發射蝕刻端面雷射器的透視圖。
[0036] 圖6是根據本發明的類似於圖5的兩個相鄰邊發射蝕刻端面雷射器的俯視平面 圖。
[0037] 圖7是根據本發明的相鄰邊發射雙共振腔蝕刻端面DFB雷射器的俯視平面圖。
[0038] 圖8是邊發射蝕刻端面雷射器的俯視平面圖，其中在雷射器的每排中雷射器晶片 彼此偏移。

【具體實施方式】
[0039] 圖1示出襯底90以及包括有源區域80的外延沉積波導結構的透視圖，在所述有 源區域80中製造包括脊40的蝕刻端面雷射器。蝕刻端面脊型雷射器臺面10和20定位在 襯底上使得對應於臺面10的雷射器的正端面50距對應於臺面20的雷射器的背端面距離 70 〇
[0040] 圖2示出類似於圖1的那些的兩個相鄰蝕刻端面脊型雷射器的俯視平面圖。導線 接合板30被提供以允許導線接合至板並且用於將電流導向脊以允許雷射器進行操作。激 光器臺面10和20分別定位在晶片15和25上。晶片15和25通過沿著限定圖2中的晶片 的邊界的線的分割過程而形成。
[0041] 例如，襯底90可由III-V化合物類型或其合金形成，其可為適當摻雜的。襯底， 諸如InP，包括頂部表面，在其上如通過諸如金屬有機化學氣相沉積（M0CVD)和分子束外延 (MBE)的外延沉積來沉積連續的層，這形成包括有源區域80的光波導。半導體雷射器結構 可包括形成自諸如InP的低於有源區域80的折射率的半導體材料的上和下覆層區域，其 與有源區域80相鄰、可與基於InAIGaAs的量子阱和阻擋層一起形成。下覆層可部分通過 外延沉積且部分通過襯底形成。例如，1310nm發射外延結構可以與在InP襯底90上的下 列層一起使用：〇. 5μπιη-ΙηΡ ;0. 105ymAlGaInAs下分級區域；有源區域80,其包括五個厚 度6nm的壓縮應變AIGalnAs量子講，每個被夾在10nm拉伸應變的AIGalnAs阻擋層之間； 0. 105 μ m AIGalnAs上分級區域；厚度1. 65 μ m的p-InP上覆層；以及高p摻雜InGaAs帽 層。該結構還可具有溼式蝕刻停止層。
[0042] 蝕刻端面雷射器的重要優點中的一個是在晶片級執行切割端面雷射器測試而不 是條級測試。然而，為了發揮晶片上測試的全部優點，距離70必須足夠大以防止從背端面 60至正端面50的背射和幹擾的負面影響。正端面50中大部分光形成自對應於臺面10的 邊發射雷射器。例如，如果脊寬大約2μπι的基於InP1310nm法布裡-珀羅（FP)脊型雷射 器的距離70是50 μ m，那麼在圖3中觀察到由於背射的不希望的特性，其中圖3(a)示出激 光對比電流（或LI)特性在約50mA處開始改變並且對應的問題出現在圖3(b)中的50mA 以上：雷射器的光譜特性在電流50mA以上具有FP模式的異常雙重分布。為了清楚，在圖 3(b)中偏移每個光譜。
[0043] 通過將2 μ m脊寬1310nm FP雷射器的距離70增加至100 μ m或更大，使背射和幹 擾的影響最小化並且負面影響在圖4(a)的LI特性和圖4(b)的光譜中不再可見，其中為了 清楚偏移每個光譜。在圖4(b)中的光譜結果示出FP模式的正態分布。距離70在分布反饋 (DFB)雷射器的晶片上測試中也非常重要，其中光柵包括在外延結構中。如果距離70太小， 那麼背射可以導致DFB雷射器的特性的改變並且因此在分割後獲得的雷射器特性可為不 同的，這顯著降低晶片測試的價值。通過選擇100 μ m或更大的距離70,已經消除了 1310nm DFB雷射器的背射的不希望的影響。然而，將距離70增加至100 μ m或更大是廢棄空間，這 顯著減少了可以從晶片獲得的晶片的數量。
[0044] 圖5示出類似於上述的一個的襯底190以及包括有源區域180的外延沉積結構的 透視圖，在所述有源區域180中製造包括脊140的蝕刻端面雷射器。蝕刻端面雷射器以正 對背和背對正的交替的方式布置在襯底上使得兩個相鄰雷射器臺面的正和背端面的平面 彼此面對（並且相應地，兩個相鄰雷射器臺面的背和正端面的平面彼此面對）。在該布置 中，雷射器臺面110的蝕刻脊140與形成在相鄰雷射器臺面120中的凹陷157對齊。蝕刻 端面脊型雷射器臺面110和120定位在襯底上使得對應於臺面110的雷射器的正端面150 距凹陷區域157的壁155距離170。壁155可以與入射雷射束成一定角度而不是與其垂直 以將到正端面150的背射最小化。凹陷區域深度約5 μ m，使得壁155高度約5 μ m並且凹陷 區域的基底低於有源區域的平面大約2. 9 μ m。在壁155成一定角度而不是垂直的情況下， 距離170可以從100 μ m減少，同時避免損害晶片上測試級別上的背射和幹擾。
[0045] 圖6圖示類似於圖5的兩個相鄰邊發射蝕刻端面雷射器的俯視平面圖。實際上， 圖6的兩個相鄰邊發射雷射器用作單元構件並且成排和列置於晶片上。對應於臺面120的 雷射器的背端面160是高反射性塗覆的，並且因此背射的影響不會過大。儘管如此，可以提 供凹陷區域167用於將背射最小化。凹陷區域167的壁165還可以與入射雷射束成一定角 度而不是與其垂直以將到背端面160的背射最小化。雷射器臺面110和120分別定位在芯 片115和125上。晶片115和125通過沿著限定圖6中的晶片的邊界的線的分割過程而形 成。晶片115包括導線結合板130。在雷射器臺面110與120之間的間隔175剛好足夠大 (約10ym)以允許發生分割。間隔175的最小化已經允許從相同尺寸的晶片產生明顯更多 數量的雷射器晶片。此外，凹陷區域157或167可在形成乾式蝕刻端面和乾式蝕刻脊的同 時形成。
[0046] 圖7示出兩個雷射器共振腔每晶片的實例的本發明的應用。雷射器臺面210和 220分別定位在晶片215和225上。晶片215和225通過沿著限定圖7中的晶片的邊界的 線的分割過程而形成。晶片215包括兩個雷射器脊型共振腔240和241，其具有導線結合板 230和231分別將電流提供給脊240和241。脊型雷射器240具有正端面250並且脊型激 光器241具有正端面251。相鄰的臺面具有在端面250和251的前面的凹陷區域257。凹 陷區域具有終止的兩個壁255和256,其分別可以與形成自端面250和251的每個雷射束成 從垂直開始的一定角度。在正端面250與壁255之間的距離270優選大於100 μ m，但是如 果壁與形成自端面250的正常雷射束成一定角度，那麼該距離可能較短。類似地，在正端面 251與壁256之間的距離271優選大於100 μ m，但是如果壁與形成自端面251的正常雷射 束成一定角度，那麼該距離可能較短。這允許雷射器臺面210和220具有最小間隔275以 增加可以從給定晶片產生的晶片的數量。在臺面220中的兩個雷射器的背端面260和261 還可以面對臺面210中的凹陷區域267以將背射最小化。
[0047] 在圖8中圖示根據本發明的另一個替代方案，其中蝕刻端面邊發射雷射器臺面 310、320、321和322分別定位在晶片315、325、326和327上，並且雷射器具有脊340和導線 接合板330以將電流提供給脊，如為對應於臺面310的雷射器所示。凹陷區域357完全形 成在蝕刻端面雷射器晶片320的一面，其延伸晶片的整個長度、形成完全開口。以該方式， 凹陷區域357延伸至對應於臺面321的雷射器的背端面355。背端面355通常垂直於形成 自正端面350的發射的雷射。距離370是正端面350與背端面355之間的距離。雷射器臺 面310和320具有類似於圖6和圖7的呈堅直方向的最小間隔375 ;然而，雷射器臺面321 和322還具有呈水平方向的最小間隔376。這進一步允許增加可以從給定晶片產生的晶片 的數量。晶片的側面僅水平對齊，相對於圖6和圖7中的晶片，其中水平和堅直都對齊。分 割需要容納該事實，並且例如，分割需要首先在水平方向發生，且然後通過堅直分割分離芯 片。雖然圖8和上述依據單個雷射器共振腔每晶片，但是將理解的是相同的方法將適用於 兩個或多個雷射器共振腔每晶片。
[0048] 本發明使用基於InP襯底的1310nm發射雷射器描述。然而，例如基於InP、GaAs和 GaN襯底的若干其它不同的外延結構可以從本發明獲益。可獲得包括在這些示例性襯底上 的有源層的外延結構的許多實例，其發射例如在光譜的紅外線和可見光區域的波長。此外， 雖然已經描述了具有蝕刻脊的邊發射脊型雷射器，但是將理解的是可以使用其它類型的蝕 刻端面雷射器，諸如蝕刻端面埋置異質結構（BH)雷射器。
[〇〇49] 雖然已經依據各種實施方案說明了本發明，但是將理解的是可在不脫離下列權利 要求中闡述的真正精神和其範圍的情況下做出變化和修改。此外，將理解的是在圖中示出 的尺寸和比例未必按比例繪製，僅用於清楚圖示結構和方法的顯著特徵。
【權利要求】
1. 一種雷射器晶片，其包括： 襯底； 在所述襯底上的外延結構，所述外延結構包括有源區域，所述有源區域產生光； 形成在所述外延結構中的波導，其呈第一方向延伸，所述波導具有限定邊發射雷射器 的正蝕刻端面和背蝕刻端面；以及 形成在所述外延結構中的第一凹陷區域，所述第一凹陷區域被布置在距所述波導一定 距離處並且具有與所述背蝕刻端面相鄰的開口，所述第一凹陷區域促進在分割所述雷射器 晶片之如測試相鄰雷射器晶片。
2. 根據權利要求1所述的雷射器晶片，其中所述第一凹陷區域具有第一端壁。
3. 根據權利要求2所述的雷射器晶片，其中所述第一端壁與所述第一方向成一定角度 而不是與其垂直。
4. 根據權利要求3所述的雷射器晶片，其中所述背蝕刻端面塗覆有高反射材料。
5. 根據權利要求1所述的雷射器晶片，其還包括： 第二凹陷區域，其形成在所述外延結構中並且被布置在距所述波導第二距離處且具有 與所述正蝕刻端面相鄰的開口，所述第二凹陷區域包括第二端壁。
6. 根據權利要求5所述的雷射器晶片，其中所述第二端壁與所述第一方向成一定角度 而不是與其垂直。
7. 根據權利要求6所述的雷射器晶片，其中到所述第一凹陷區域的所述開口和到所述 第二凹陷區域的所述開口彼此對齊。
8. 根據權利要求1所述的雷射器晶片，其中所述邊發射雷射器是脊型雷射器。
9. 根據權利要求8所述的雷射器晶片，其中所述脊型雷射器是法布裡-珀羅（FP)類 型。
10. 根據權利要求8所述的雷射器晶片，其中所述脊型雷射器是分布反饋（DFB)類型。
11. 根據權利要求1所述的雷射器晶片，其中所述邊發射雷射器是埋置異質結構（BH) 雷射器。
12. 根據權利要求11所述的雷射器晶片，其中所述BH雷射器是法布裡-珀羅（FP)類 型。
13. 根據權利要求11所述的雷射器晶片，其中所述BH雷射器是分布反饋（DFB)類型。
14. 根據權利要求1所述的雷射器晶片，其中所述襯底是InP。
15. 根據權利要求1所述的雷射器晶片，其中所述襯底是GaAs。
16. 根據權利要求1所述的雷射器晶片，其中所述襯底是GaN。
17. -種雷射器晶片，其包括： 襯底； 在所述襯底上的外延結構，所述外延結構包括有源區域，所述有源區域產生光； 形成在所述外延結構中的第一波導，其呈第一方向延伸，所述第一波導具有限定第一 邊發射雷射器的第一正蝕刻端面和第一背蝕刻端面； 形成在所述外延結構中的第二波導，其呈所述第一方向延伸，所述第二波導具有限定 第二邊發射雷射器的第二正蝕刻端面和第二背蝕刻端面；以及 形成在所述外延結構中的凹陷區域，所述凹陷區域具有與所述第一背蝕刻端面和所述 第二背蝕刻端面相鄰的開口，所述凹陷區域促進在分割所述雷射器晶片之前測試相鄰雷射 器晶片。
18. 根據權利要求17所述的晶片，其中所述第一和第二邊發射雷射器中的至少一個是 脊型分布反饋（DFB)雷射器。
19. 根據權利要求17所述的晶片，其中所述第一和第二邊發射雷射器中的至少一個是 埋置異質結構（BH)分布反饋（DFB)雷射器。
20. -種雷射器晶片，其包括： 襯底； 在所述襯底上的外延結構，所述外延結構包括有源區域，所述有源區域產生光； 形成在所述外延結構中的波導，其呈第一方向延伸，所述波導具有限定邊發射雷射器 的正蝕刻端面和背蝕刻端面；以及 在所述外延結構中的完全開口，其呈平行於所述波導的方向並距所述波導一定距離， 促進在分割所述雷射器晶片之前測試相鄰雷射器晶片。
【文檔編號】H01S5/00GK104067462SQ201280067696
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年12月3日 優先權日:2011年12月8日
【發明者】A·A.·貝法爾, M·R.·格林, C·斯塔伽利斯庫 申請人:百傲迪公司