專利名稱：一種光子晶體或光子帶隙垂直腔面發(fā)射激光器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明涉及制造VCSELs，其涉及一種制造包含微/納結(jié)構(gòu)模式選擇橫向?qū)拥腣CSEL的方法，通過適當(dāng)?shù)乜刂凭植靠涛g來獲得該孩i/納結(jié)構(gòu)層。該發(fā)明能以非常高的精度來控制該微/納結(jié)構(gòu)層的厚度。特別地，該發(fā)明涉及一種制造具有微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層的VCSEL的方法，該模式選擇層用于控制VCSEL的橫向電磁模式。背景4支術(shù)
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)由于其優(yōu)良性能以及廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。要實(shí)現(xiàn)低制造成本則要求高的生產(chǎn)良率，以及由此要求用于生產(chǎn)的制造方法嚴(yán)格可控。只有當(dāng)任何以及每個制造方法的工藝步驟可控時，才能獲得高良率。
包括具有用于控制VCSEL內(nèi)電磁模式的刻蝕微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層的橫向?qū)拥腣CSEL的制造包括特別的制造步驟。該工藝包括如光刻膠的沉積、光刻膠曝光、光刻膠顯影、刻蝕或材料沉積、和光刻膠去除步驟。要獲得制造微/納結(jié)構(gòu)VCSEL的高良率要求很好地控制所有的這些步驟。
當(dāng)制造微/納結(jié)構(gòu)模式選擇元件時，VCSEL的性能嚴(yán)重依賴于刻蝕深度。典型地，通過刻蝕速率來確定該刻蝕深度，因此整個刻蝕時間確定了該刻蝕深度?？上У氖?，刻蝕速率依賴于許多參數(shù)，對于濕法化學(xué)刻蝕如溫度、化學(xué)劑、濃度；對于干法化學(xué)刻蝕如氣流、氣壓、所用反應(yīng)氣體和非反應(yīng)氣體的總量、和氣體混合比。
在"Electrically inhected single-defect photonic bandgap surface-emitting laserat room temperature"中，Electronics Letters,第36巻，第18期(2000年8月31曰)，作者W.D.Zhou等，公開了一種VCSEL，包括底鏡、頂鏡、和以三明治結(jié)構(gòu)處于兩鏡之間的增益區(qū)。兩個鏡子都是III-V族半導(dǎo)體基。從頂鏡的頂部開始刻蝕深孔，穿透增益區(qū)并到達(dá)底鏡中。該孔進(jìn)而排列為規(guī)則陣列，在該陣列的中心具有缺陷。通過估算刻蝕速率并對刻蝕記時來確定該刻蝕深度。在這篇論文中并沒有提到很好的控制刻蝕深度的問題。
在美國專利6683898中，公開了一種VCSEL結(jié)構(gòu)，包含底鏡、頂鏡、以及以三明治結(jié)構(gòu)處于兩鏡之間的增益區(qū)。形成光子晶體區(qū)域以阻止該VCSEL中的較高等級的橫向模式。通過再生長步驟和/或由刻蝕工藝的時間來確定的刻蝕深度來實(shí)現(xiàn)該公開結(jié)構(gòu)的制造。
在"True Photonic band-gap mode-control VCSEL structure ,，中，ECOC，03 ，pp40-41 (2003 ),作者F. Romstad等，示例了如何在VCSEL中通過淺刻蝕(小于lOOnm)來很好地控制波長。在局部半導(dǎo)體頂鏡中實(shí)施淺刻蝕，且通過在局部刻蝕的部分半導(dǎo)體頂鏡的頂部沉積介電頂鏡，以得到實(shí)現(xiàn)激發(fā)光所需^"的頂鏡反射率。
在"Single-mode photonic bandgap VCSELs，，中，ECOC'04, Proceeding vol.3 ，pp596-597( 2004 )，作者S.Bischoff等，示例了 一種依賴于通過光子帶隙(PBG)效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的橫向模式限制VCSEL。通過在局部半導(dǎo)體頂鏡中柱的淺刻蝕來實(shí)現(xiàn)該P(yáng)BG效應(yīng)。通過在局部刻蝕的部分半導(dǎo)體頂鏡的頂部沉積介電頂4竟，以得到達(dá)到激發(fā)光所需要的頂鏡反射率。
國際申請PCT/DK2005/000759公開了 一種用于VCSEL中橫向模式控制的技術(shù)，能提供大孔單才莫高功率VCSEL。該發(fā)明通過提供容許大孔單模高功率工作的基本結(jié)構(gòu)零件以給出一種改進(jìn)的VCSEL設(shè)計。這里所描述的許多結(jié)構(gòu)特征在于，包括中心光孔區(qū)域，其提供長光子壽命和與激活區(qū)域的重疊。同時還包括為了提供比光孔區(qū)域中短的光子壽命而形成的模式整形區(qū)域。另外，包括為了提供對于模式整形區(qū)域和光孔區(qū)域的模式橫向限制而設(shè)計的模式限制區(qū)域。選擇這些區(qū)域的尺寸，以設(shè)計VCSEL腔中的每個橫向電磁模式中的激光作用的效率。
上述現(xiàn)有技術(shù)對現(xiàn)有的VCSEL的描述都是基于在一個完整或局部的半導(dǎo)體頂鏡中刻蝕微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域。該方法的缺點(diǎn)是需要非常好地控制刻蝕工藝。高刻蝕深度控制的缺乏要求額外的工藝特性以確定實(shí)際得到的刻蝕深度。
特別是當(dāng)提到濕法化學(xué)刻蝕技術(shù)時，刻蝕工藝中器件的處理是工藝變化的重要來源。特別是如果刻蝕速率相對很高時，開始和停止刻蝕工藝的時間是不
6確定的。如果不在控制之中，則反而會影響生產(chǎn)良率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種更好地控制VCSEL中的纟敖/納結(jié)構(gòu)層厚度的可替換的方法，該VCSEL中具有用于橫向模式控制的微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層。改進(jìn)的層厚度控制，在第一方面是通過沉積一介電材料薄層或局部半導(dǎo)體頂鏡的頂部上的一局部介電頂鏡而執(zhí)行，其中該局部半導(dǎo)體頂一鏡中形成樣i/納結(jié)構(gòu)。只要刻蝕工藝中介電材料與所用的半導(dǎo)體材料的刻蝕速率之間具有高比例，則半導(dǎo)體和介電材料之間的界面實(shí)現(xiàn)了刻蝕停止層的功能。該蝕刻工藝可以是濕法或干法化學(xué)刻蝕。
引入這種刻蝕停止層具有使得刻蝕深度較少依賴于刻蝕速率和時間的優(yōu)點(diǎn)，以及不再必須在工藝中測量實(shí)際達(dá)到的刻蝕深度。根據(jù)本發(fā)明的制造方法中刻蝕深度的變化主要由兩個因素所確定(1)在其中沉積介電層(局部介電頂鏡層)的層的厚度精度；(2)介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層的第一刻蝕速率與在其上設(shè)置介電微/納模式選擇層的層的第二刻蝕速率之間的比例。在3英寸或4英寸晶片的一邊沉積的介電材料層厚度可以典型地控制在幾個百分比之內(nèi)(<2-4%)。由此，當(dāng)沉積100nm厚的介電材料層時，刻蝕深度變化的最大變4b為4ntn。
在當(dāng)前描述中，涉及VCSEL結(jié)構(gòu)的術(shù)語"上邊"和"下邊，，，以及"頂部"和"底部"，指的是當(dāng)VCSEL襯底水平垂直于標(biāo)記為向上的發(fā)射面時的結(jié)構(gòu)中的相對位置。
在本發(fā)明的第 一方面，提供了 一種制造包含微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域的VCSEL結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括步驟
-提供襯底，用于支撐后續(xù)步驟中所形成部分；-在該襯底上形成一層結(jié)構(gòu)，該層結(jié)構(gòu)包括包含兩層或三層的底鏡；
在該底鏡上形成的III-V基增益區(qū)，該增益區(qū)適于生成光以及激發(fā)該
生成的光；
在該增益區(qū)上形成的包含兩層或三層的頂鏡，由此底鏡和頂鏡形成保持增益區(qū)的激光腔；位于頂鏡內(nèi)的#/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域，該#/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域包含光孔，該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域和該光孔的尺寸至少適于局部控制作用于
腔的橫向電磁模式中的激發(fā)光效率；
形成該微/納結(jié)構(gòu)才莫式選擇區(qū)域，通過
-形成介電微/納結(jié)構(gòu);溪式選擇層，放置在該微/納結(jié)構(gòu)才莫式選擇區(qū)域所在位
置；
-在該介電#/納結(jié)構(gòu)模式層上形成掩膜層，該掩膜層包括具有與#/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域相應(yīng)的預(yù)定#/納結(jié)構(gòu)模式選擇設(shè)計/版圖的掩膜圖案；
-將掩膜層作為刻蝕掩膜，利用 一種刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕，該預(yù)定微/納結(jié)構(gòu)模式選擇設(shè)計/版圖轉(zhuǎn)入該介電微/納模式選擇層以形成微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域；
-去除該掩膜層；
其中，在去除掩膜層步驟之后，在該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層上面形成該介電#/納結(jié)構(gòu)才莫式選擇層上的頂鏡的層；
以及其中，該刻蝕技術(shù)具有該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層中的第 一刻蝕速率和在該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層上的層中的第二刻蝕速率，第一刻蝕速率大于第二刻蝕速率。
術(shù)語"微/納，，用來指主要以從10nm到5fim的尺寸特性為特征的結(jié)構(gòu)。光子帶隙型結(jié)構(gòu)，是一個微/納結(jié)構(gòu)的例子，其用來控制相對于化合材料中的光散射。
第 一和第二刻蝕速率的不同意味著，在其上形成微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層的層主要用作刻蝕停止層。
一層單獨(dú)的氧化層可以并入腔中，以允許例如為了提供電流限制目的的選擇性氧化。
第一刻蝕速率和第二刻蝕速率的比例決定了刻蝕停止的效率。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該比例大于l。優(yōu)選地，第一刻蝕速率和第二刻蝕速率之間的比例至少為1.2,如至少為1.5，如至少為2，如至少為5，如至少為10，如至少為15,如至少為20，如至少為50,如至少為100。高比例對應(yīng)于高刻蝕停止效率。
8如果介電層為Si02以及刻蝕停止層為GaAs，在利用CHF3反應(yīng)離子刻蝕 中，第一刻蝕速率為40nm/s左右以及第二刻蝕速率為3nm/s左右。
優(yōu)選地，在停止點(diǎn)停止刻蝕，該停止點(diǎn)相應(yīng)于刻蝕到達(dá)介電微/納結(jié)構(gòu)模 式選擇層和在其上形成該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層的層之間的界面的時間， 或之后盡可能快的，優(yōu)選之后立刻，通過基于刻蝕時間和第一刻蝕速率來評估 刻蝕深度以確定該停止點(diǎn)，或以其他適當(dāng)?shù)臋C(jī)制來評估或確定所述的停止點(diǎn)。 雖然以更慢的第二刻蝕速率來處理，增加了刻蝕深度的變化，但由于其最小化
了對下面半導(dǎo)體(in-v)層(刻蝕停止層)的刻蝕，則仍具有優(yōu)點(diǎn)。
優(yōu)選地，用于在介電層中形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的刻蝕技術(shù)為CHF3干法刻蝕或 CF4/02干法刻蝕。
介電#/納結(jié)構(gòu)模式選擇層可以包括例如SiOx、 TiOx、 TaOx、 CaF2、 ZnSe、 MgF2、 SiGe、 Si、 Ge、 Si3N4、 AlxOy或它們的組合。也可以包括幾個亞層， 而不是包括一層單獨(dú)、同質(zhì)的層。
可以利用例如PECVD、或利用或不利用離子輔助的熱濺射工藝沉積介電層。
如果除了該介電微/納模式選擇層之外，VCSEL結(jié)構(gòu)的頂鏡包含一個或多 個介電層，則可以例如利用離子輔助電子束玻璃'減射工藝來沉積這些層。這些 層可能包括例如SiOx、 TiOx、 TaOx、 CaF2、 ZnSe、 MgF2、 SiGe、 Si、 Ge、 Si3N4、 AlxOy或其組合。
舉例說明，可以形成根據(jù)第一方面制造的VCSEL結(jié)構(gòu)，通過
在襯底上形成底鏡；
在底鏡上形成增益區(qū)；
在增益區(qū)上，形成第一頂鏡層，如分布式布拉格反射鏡(DBR)堆棧；
在第一頂鏡層上形成介電^/納結(jié)構(gòu)模式選擇層；
在介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層上形成剩余頂鏡層。
由此介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層為形成在頂鏡內(nèi)的額外的層。該介電微/納 結(jié)構(gòu)模式選擇層的主要功能是使能精確控制刻蝕深度。
優(yōu)選地，利用以配置厚度的相關(guān)變化率小于10%，例如低于5%,例如低 于2%，例如低于1°/。，例如低于0.5%為特征的配制工藝來配置介電晶格層。這種變化是不可避免的，但是在晶片上的給定點(diǎn)處這種變化非常小且明顯地低
于在ni- v族層中導(dǎo)致的刻蝕深度的變化。
本發(fā)明的第二方面包括利用剝離工藝，在局部半導(dǎo)體頂鏡的頂部形成掩膜 層，其中在該半導(dǎo)體頂鏡中形成微/納結(jié)構(gòu)的反面。在半導(dǎo)體頂鏡上部分地沉 積介電微/納結(jié)構(gòu)層，其中去除掩膜層，以及部分地形成在掩膜層上。掩膜層 光刻膠現(xiàn)在與其上的介電材料在一起，通過剝離工藝去除，留下半導(dǎo)體頂鏡頂 部的介電^/納結(jié)構(gòu)層。
根據(jù)刻蝕和非刻蝕區(qū)域的腔諧振波長之間的差異來確定如VCSEL的諧振
器的由微/納結(jié)構(gòu)模式選擇元件控制的橫向模式。該腔諧振波長的偏移為隨著 被刻蝕層的減小的折射率而減小的刻蝕深度的函數(shù)。當(dāng)在低折射率介電材料中 實(shí)施淺刻蝕時，相對于高折射率半導(dǎo)體材料層，該腔諧振波長相對于刻蝕深度 的變化具有較小的敏感度。
該發(fā)明的基本觀點(diǎn)是通過介入一復(fù)合層以使得具有微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)
域的VCSEL具有更好的再現(xiàn)性，因此為刻蝕樣i/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域的形成提 供控制方法。因?yàn)榭涛g技術(shù)中存在的兩層中的不同速率，該發(fā)明還實(shí)現(xiàn)了可以 在III-V族層上的介電層提供這種方法。同時，根據(jù)本發(fā)明制造的VCSEL可以 提供高功率、單膜工作、以及由此本方法非常令人滿意。
本發(fā)明的第二方面提供一種制造包含微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域的垂直腔面 發(fā)射激光器(VCSEL)結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括步驟
-提供襯底，用于支撐后續(xù)步驟中所形成部分；
-在該襯底上形成一層結(jié)構(gòu)，該層結(jié)構(gòu)包括 包含兩層或三層的底鏡；
在該底^:上形成的III-V基增益區(qū)，該增益區(qū)適于生成光以及激發(fā)該
生成的光；
在該增益區(qū)上形成的包含兩層或三層的頂鏡，由此底鏡和頂鏡形成 保持增益區(qū)的激光腔；
位于頂鏡內(nèi)的微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域，該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域包 含光孔，該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域和該光孔的尺寸至少適于局部地控制該腔 的橫向電磁模式中的激發(fā)光效率；形成該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域，通過
-形成掩膜層，位于該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域所在位置；
-圖案化該掩膜層，包括一具有限定該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域的預(yù)定反轉(zhuǎn)
#/納結(jié)構(gòu)的掩膜圖案；
-在圖案化掩膜層上形成介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層，利用掩膜層剝離介電
材料從而在介電模式選擇層內(nèi)形成孩t/納結(jié)構(gòu)，該微/納結(jié)構(gòu)為掩膜層為/納結(jié)構(gòu)
圖案/版圖的反轉(zhuǎn)；
其中在形成微/納結(jié)構(gòu)層之后，該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層上的頂鏡的層 被形成在該介電m/納結(jié)構(gòu)模式選擇層上面。


圖1示例了一種現(xiàn)有的VCSEL,其中主要通過一層氧化層和一層在 VCSEL頂鏡內(nèi)的刻蝕結(jié)構(gòu)來控制腔內(nèi)電磁模式的橫向元件。
圖2a示例了根據(jù)本發(fā)明制造的一種VCSEL。主要通過刻蝕到與局部半導(dǎo) 體頂鏡相鄰的一薄介電層內(nèi)的嵌入微/納結(jié)構(gòu)模式選擇結(jié)構(gòu)來控制腔內(nèi)電磁模 式的橫向元件。在局部淺刻蝕第一沉積介電層(250)之后，沉積局部介電頂 鏡(240)。該頂視圖示出了一維橫向模式限制結(jié)構(gòu)(231， 232, 240)的例子。
圖2b示例了圖2a中VCSEL的頂部部分。該圖示出了局部的半導(dǎo)體和介 電頂鏡。該頂視圖示出了一維橫向模式限制結(jié)構(gòu)(232， 240， 270、 271)的例 子。
圖3示例了通過刻蝕規(guī)則網(wǎng)格的孔來實(shí)現(xiàn)的二維橫向模式控制元件。典型 地，因?yàn)樵O(shè)計光從這個區(qū)域(PBG或PhC缺陷)進(jìn)行發(fā)射，所以中心部分是 非刻蝕的。
具體實(shí)施例方式
在圖1中示出了現(xiàn)有的VCSEL結(jié)構(gòu)100的例子。該結(jié)構(gòu)包括襯底110、 底鏡112、增益區(qū)116、隔離層114、用于電流限制/光限制的氧化層118/119、 半導(dǎo)體(III-V族)頂鏡120、 n接觸131和p接觸132。該結(jié)構(gòu)另外包括垂直 孩^/納結(jié)構(gòu)124,通過刻蝕貫穿多個分布布拉格反射鏡(DBR)而形成在一部分 頂鏡內(nèi)。實(shí)現(xiàn)該頂鏡內(nèi)的微/納結(jié)構(gòu)以將橫向模式限制在缺陷部分170。典型地 選擇增益區(qū)116的成分，以提供將由VCSEL所發(fā)射波長區(qū)域內(nèi)的增益。典型
ii地，由GaAs和AlGaAs組合形成。本發(fā)明并不限定于這些材^K例如，經(jīng)常 利用GaNAs、 InGaNAs、 InGaNSbAs、 InGaAs，GalnNAs、 InGaAsP、和InGaP 來提供波長為650、 780、 850、 980、 1300、 1550和2000nm的發(fā)射。典型地 增益部分由一個或多個提供增益的被阻擋層分離的量子阱組成。
在一個完整的VCSEL頂鏡(Romstad等，2003)中，由于淺刻蝕使得腔 諧振波長的偏移非常小。腔諧振波長的偏移依賴于刻蝕之后在頂鏡120中剩余 的DBRl/4波長層。因此，在一個完整VCSELDBR頂鏡中的刻蝕要求刻蝕貫 穿多個DBR反射鏡對，則導(dǎo)致相對很大的具有幾個納米的腔諧振波長偏移。 可惜的是，DBR頂鏡對的去除相應(yīng)地增加了頂鏡損耗。通過結(jié)合腔諧振波長 偏移和來自深度刻蝕結(jié)構(gòu)的光損耗來確定橫向模式控制/限制。
制造如圖1所示的VCSEL結(jié)構(gòu)包括，利用例如干法刻蝕技術(shù)，在頂鏡120 內(nèi)刻蝕微/納結(jié)構(gòu)124。由此必須通過刻蝕時間來控制該《敬/納結(jié)構(gòu)的深度。在 要求均勻性的情況下，例如表面狀態(tài)、溫度和方法，以及腔室環(huán)境的變化將導(dǎo) 致良率的降低。對腔諧振偏移的控制受限于這種制造方法，以及由此對于激光 器最終是否具有令人滿意的特性要部分地依賴運(yùn)氣。
圖2a中所示的VCSEL200結(jié)構(gòu)，其具有根據(jù)本發(fā)明制造的結(jié)構(gòu)，共享了 具有圖1中結(jié)構(gòu)的多個元件。特別地，其包括襯底110、底鏡112、增益區(qū)116、 隔離層114和用于電流限制的氧化層118/119。然而，其取代一個完整的頂鏡 120 (圖1),具有一個混合頂鏡。該混合頂鏡包括一個局部半導(dǎo)體基頂鏡220、 介電材料薄層250，其中通過刻蝕來限定橫向模式選擇和限制孩t/納結(jié)構(gòu)，以及 一個局部介電頂鏡240。圖2b示例了圖2a中的介電頂鏡240的微/納結(jié)構(gòu)頂視 圖，還有頂部接觸(232)和底部接觸(231)。
圖2b同樣示例了出自圖2a的VCSEL的頂部部分。圖示出了局部半導(dǎo)體 頂鏡220、局部頂鏡220的頂層221、頂部接觸232和介電層250,在其中刻 蝕微/納結(jié)構(gòu)橫向模式控制元件。層241是局部頂鏡240的第一層。層245是 局部頂鏡的所有剩余的層,在層241之后沉積該層。剩余層245可以例如為 TiOx和SiOx交替的層堆棧而成。在圖2a和圖2b中，在III-V族層221的頂 部沉積所有的7層。圖2b同樣示出了^L/納結(jié)構(gòu)層/頂鏡的一維圖案的一個例子 的頂視圖。包括虛線來示例出從側(cè)面看和從頂部看的該VCSEL之間的關(guān)系。
12在中心形成缺陷270，并將其作為在腔中生成光的孔。
在圖2a和圖2b中，在晶格區(qū)域250的上面和下面都具有多層結(jié)構(gòu)，即， 部分220和240包括多層。部分220可以僅僅包括一單層，如通過制造層220 為一隔離層來替代局部頂鏡層。相同地，部分240可以僅僅包括一單層，在頂 鏡的頂部附近放置晶格區(qū)域250。唯一的要求是部分220、層250和部分240 的結(jié)合提供有效的反射率以實(shí)現(xiàn)激發(fā)光。
可以通過下述方法來實(shí)現(xiàn)圖2a中示例的VCSEL的制造。通過外延生長 交替層在襯底IIO上形成底鏡112。之后，利用相同的外延工藝在下部底鏡112 的頂部上生長n摻雜隔離層114、增益部分116、上部p摻雜隔離層114、以 及用于電流限制的氧化層118/119。同樣利用相同的外延工藝生長頂鏡220的 第一部分。利用如等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)工藝在層221 (見圖 2b)的頂部沉積介電層250。層221是局部半導(dǎo)體頂鏡220的頂層。外延材料 的處理包括臺面界定、用于橫向電流限制的選擇性氧化、n接觸和p接觸的界 定以及微/納結(jié)構(gòu)模式選擇圖案的界定和刻蝕。典型地，孩￡/納結(jié)構(gòu)可以由光刻 或納米壓印來限定?？梢酝ㄟ^如利用CHF3反應(yīng)離子刻蝕、CF4/02反應(yīng)離子 刻蝕或BHF濕法刻蝕來將樣t/納結(jié)構(gòu)模式選擇元件刻蝕到介電層250內(nèi)。因?yàn)?下面的半導(dǎo)體(ni-V族)層，圖2b中的層221的刻蝕速率低于介電層250的 刻蝕速率，因此CHF3選擇性刻蝕介電材料。因此半導(dǎo)體(m-V族)層221 作為刻蝕停止層，改進(jìn)對刻蝕深度的控制。
在完成微/納結(jié)構(gòu)才莫式選擇層250的刻蝕之后，可以執(zhí)行介電頂鏡的沉積 作為其它必須的VCSEL工序的一部分。
優(yōu)選地，部分240至少包括一層介電層，以及優(yōu)選地，部分240中的所有 層都是介電層。
圖3示例了用于模式選擇的微/納結(jié)構(gòu)的另一例子，其利用根據(jù)本發(fā)明的 方法來制造。在這種情況下，圖案包括排列為三角形圖案的圓形的、相同的孔。 樣i/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域的周邊(外形)近似為圓形。典型地孔的尺寸為150nm 到750nm之間。 一個典型的缺陷270的尺寸為6-12[im。 一個典型的部分240 的尺寸為20^irn。 一個典型的接觸232的內(nèi)周和外周的尺寸分別為20pm (等 于部分240的尺寸)和60^im。 一個典型的接觸131的內(nèi)周和外周的尺寸分別
13為60pm (等于接觸232的外周尺寸)和70jxm。
在上述描述中，所公開實(shí)施例中的某些特定細(xì)節(jié)如特定材料、圖案和尺寸 等等，只是為了解釋說明的目的而不是為了進(jìn)行限定，以此對本發(fā)明提供一種 清晰透徹的理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)很容易理解，只要不脫離所公開 的精神和范圍的情況，本發(fā)明可以以其它實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)。另外，在上下文中， 以及為了簡要和清楚的目的，省略了公知的工藝和方法的詳細(xì)描述，以避免不 必要的細(xì)節(jié)和可能的混淆。
權(quán)利要求
1. 一種制造包含微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括步驟-提供襯底，用于支撐后續(xù)步驟中所形成部分；-在該襯底上形成層結(jié)構(gòu)，該層結(jié)構(gòu)包括包含兩層或三層的底鏡；在該底鏡上形成的III-V基增益區(qū)，該增益區(qū)適于生成光以及激發(fā)該生成的光；在該增益區(qū)上形成的包含兩層或三層的頂鏡，由此底鏡和頂鏡形成保持增益區(qū)的激光腔；位于頂鏡內(nèi)的微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域，該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域包含光孔，該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域和該光孔的尺寸至少適于局部地控制該腔的橫向電磁模式中的激發(fā)光效率；形成該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域，通過-形成位于該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域所在位置的介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層；-在該介電微/納結(jié)構(gòu)模式層上形成掩膜層，該掩膜層包括具有與微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域相應(yīng)的預(yù)定微/納結(jié)構(gòu)模式選擇圖案/版圖的掩膜圖案；-將掩膜層作為刻蝕掩膜，利用一種刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕，該預(yù)定微/納結(jié)構(gòu)模式選擇圖案/版圖轉(zhuǎn)入該介電微/納模式選擇層內(nèi)以形成微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域；-去除該掩膜層；其中，在去除掩膜層步驟之后，在該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層上面形成該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層上的頂鏡層；以及其中，該刻蝕技術(shù)具有，在該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層中的第一刻蝕速率，和在其上形成該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層的層中的第二刻蝕速率，第一刻蝕速率大于第二刻蝕速率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在一停止點(diǎn)時或緊接著停止點(diǎn)之后停止刻蝕的步驟，該停止點(diǎn)相應(yīng)于刻蝕到達(dá)介電孩￡/納結(jié)構(gòu)才莫式選擇層和在 其上形成該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層的層之間的界面時的時間。
3. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中第一刻蝕速率和第二刻蝕速 率之間的比例至少為1.2，例如至少為1.5,例如至少為2，例i。至少為5，例 如至少為10,例如至少為15,例如至少為20,例如至少為50,例如至少為 100。
4. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中沉積介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇 層采用的沉積工藝的特征在于沉積厚度的相對變化率小于10%，例如低于5%, 例如低于2%,例如低于1%，例如低于0.5%來。
5. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中利用PECVD工藝或?yàn)R射工 藝來沉積該^t/納結(jié)構(gòu)模式選擇層。
6. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中形成為頂鏡一部分的介電微/ 納結(jié)構(gòu)模式選擇層和如果需要形成的另外的介電層，由下列一種或多種材料形 成SiOx、 TiOx、 TaOx、 CaF2、 ZnSe、 MgF2、 SiGe、 Si、 Ge、 Si3N4、 AlxOy。
7. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中頂鏡的最上面部分包含由下 列一種或多種材料形成的層SiOx、 TiOx、 TaOx、 CaF2、 ZnSe、 MgF2、 SiGe、 Si、 Ge、 Si3N4、 AlxOy。
8. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中刻蝕技術(shù)為下列其中之一 CHF3干法刻蝕、CF4/02干法刻蝕，以及BHF濕法刻蝕。
9. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中在介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層 上面的頂鏡層包含III- V族層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一所述的方法，其中在介電樣V納結(jié)構(gòu)模式選 擇層上面的頂鏡層僅僅包含一層或多層介電層。
11. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中在介電纟敫/納結(jié)構(gòu)模式選擇層下面的頂鏡層僅僅包含一層或多層ni- v族層。
12. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中在m-v族層上形成該介電層。
13. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中在in-v族基增益區(qū)上直接 形成該介電層。
14. 一種制造包含微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域的垂直腔面發(fā)射激光器 (VCSEL)結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括步驟-提供村底，用于支撐后續(xù)步驟中所形成部分； -在該襯底上形成一層結(jié)構(gòu)，該層結(jié)構(gòu)包括 包含兩層或三層的底鏡；在該底鏡上形成的m-v基增益區(qū)，該增益區(qū)適于生成光以及激發(fā)該生成的光；在該增益區(qū)上形成的包含兩層或三層的頂鏡，由此底鏡和頂鏡形成保持增益區(qū)的激光腔；位于頂鏡內(nèi)的微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域，該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域包含光孔，該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域和該光孔的尺寸至少適于局部地控制該腔的橫向電磁模式中的激發(fā)光效率；形成該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域，通過-形成放置在該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域所在位置的掩膜層；-圖案化該掩膜層，包括一具有限定該微/納結(jié)構(gòu)模式選擇區(qū)域的預(yù)定反轉(zhuǎn)微/納結(jié)構(gòu)的掩膜圖案；-在圖案化掩膜層上形成介電#/納結(jié)構(gòu)模式選擇層，利用掩膜層剝離介電材料從而在介電模式選擇層內(nèi)形成微/納結(jié)構(gòu)，該^/納結(jié)構(gòu)為掩膜層#/納結(jié)構(gòu)圖案/版圖的反轉(zhuǎn)；其中在形成樣t/納結(jié)構(gòu)層之后，在該介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層上面形成該 介電微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層上的頂鏡層。
全文摘要
該發(fā)明涉及VCSEL的制造方法，其提供一種制造包含微/納結(jié)構(gòu)模式橫向選擇層的VCSEL的方法，通過適當(dāng)?shù)乜刂凭植靠涛g來得到該微/納結(jié)構(gòu)層。該發(fā)明能以非常高的精度來控制微/納結(jié)構(gòu)層的厚度。特別地，該發(fā)明涉及一種制造具有微/納結(jié)構(gòu)模式選擇層的VCSEL的方法，該模式選擇層用于控制VCSEL的橫向電磁模式。
文檔編號H01S5/183GK101467313SQ200780019699
公開日2009年6月24日 申請日期2007年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月29日
發(fā)明者弗朗西斯·帕斯卡爾·羅姆斯塔德, 斯文·比朔夫, 芒努斯·哈爾·馬森, 達(dá)恩·比克達(dá)爾, 邁克爾·尤爾 申請人:阿賴特光子有限公司