专利名称：微透镜、其和垂直空腔表面辐射激光器的组合及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种微透镜、微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合及其制造方法。并且更具体地，涉及一种微透镜及其制造方法，其中该微透镜通过湿化学蚀刻形成在半导体基片上；和涉及一种微透镜和VCSEL的组合及其制造方法，其中微透镜形成在VCSEL的光辐射表面上使得激光束能通过该微透镜聚光和辐射，而不需要单独的聚光透镜。
近年来，在光通信系统的领域内，人们对应用于微型光装置中的透镜系统的兴趣不断提高。具体地，对用来制造小透镜系统的便利方法和用于耦合微透镜与微光装置的有效技术的研究一直在积极地进行。
例如，在1988年1月的《电子通信(Electronics Letters)》Vol.24(2)，pp.109-110中提出了一种在砷化镓铟/磷化铟(GalnAs/InP)光二极管的表面上形成和制造微透镜的技术。根据该技术，利用光致抗蚀剂掩模在基片上限定一个微透镜区域，并且利用氩(Ar)粒子束蚀刻技术来使透镜成型。
然而，该技术的一个问题在于真空室会受到高浓度Ar离子的污染，Ar离子冲击蚀刻过程中的光致抗蚀剂掩模。此外，该技术需要利用昂贵的制造设备经过多个处理步骤来实现，使得制造过程复杂化和提高了制造成本。进而，已经在公开文本中由扫描式电子显微镜(SEM)证实了，该已经公开的技术不足以提供光滑的透镜表面。
能应用于半导体装置制造过程的湿化学蚀刻法可以大致分成限制反应蚀刻法和限制扩散蚀刻法。限制反应蚀刻法是指一种以化学溶液和半导体基片之间自身的化学反应为基础的湿蚀刻法，通常半导体工艺中采用的大多数蚀刻法都属于这一种。化学反应依赖于用作基片的材料的种类和所选用的化学溶液的成分，因此可以通过改变上述两种因素来恰当地控制蚀刻过程。
以蚀刻剂的扩散为基础的限制扩散蚀刻法，只限于在特殊结构中使用，而不常用于普通的半导体制造工艺中。用于这种限制扩散蚀刻法中的化学溶液的典型例子是含水溴(Br2)溶液。该溶液相对于要进行蚀刻的目标不具有蚀刻选择性和通过扩散无条件地冲击露出来的半导体基片的表面。由于蚀刻原理以溴的扩散为基础，溴的快速扩散使得提供有大量溴的区域的蚀刻速度提高。与此同时，溴的扩散速度相对慢和存在少量溴的区域的蚀刻速度减慢。溴的这些蚀刻特性妨碍了限制扩散蚀刻法在半导体装置制造中的应用。
另一方面，通过半导体材料叠层辐射光线的垂直空腔表面辐射激光器(VCSELs)容易与其它光学元件组合，和易于安装在其它仪器中，并且也可以设计成二维的阵列，因此VCSELs有广泛的用途。例如，VCSEL可以在光传递系统中，例如使用光信号的光通信或接口中作为光源使用，和在记录/复制装置中作为光学头的光源。
参照
图1，一个传统的VCSEL包括基片5；顺序层叠在基片5上的下反射层1、活性层2、高阻抗区3和上反射层4；形成在上反射层4的除去激光束由此辐射的窗口8以外的区域上的上电极6；和形成在基片5下面的下电极7。
每个下反射层1和上反射层4是分布式的Bragg反射层(DBR)，是具有不同折射系数的半导体材料层的层叠，但有着相反的导电类型。例如，基片5和下反射层1掺杂有同种杂质，例如n型，并且上反射层4掺杂有另一种杂质，例如，p型。
高阻抗区3引导电流经过上电极6和下电极7进入到活性层2的中心。活性层2是这样的区域，由来自上下反射层4和1的空穴和电子的组合在此产生光，运些空穴和电子是由上、下电极6和7作用的电流诱生的。
在活性层2中产生的光在上、下反射层4和1之间反复反射和只留下具有与谐振条件一致的波长的光束，并且穿过窗口8辐射。
然而，在具有上述结构的传统的VCSEL中，由于窗口8的面积很小，从窗口8辐射出来的激光束有一个预定的辐射角，使得需要一个聚光镜来聚焦来自VCSEL的发散光。例如，当这种传统的VCSEL作为光源用于使用光缆的光传递系统中时，该VCSEL和光缆的输入端之间需要一个用来聚焦发散光的聚焦镜，来提高两者之间的光耦合。
作为另一个例子，传统的VCSEL可以作为光源用于记录/复制装置中的光学头，以非接触方式记录/复制来自/向记录介质，例如光盘的信息。在这种情况下，也需要一个聚焦透镜来聚焦来自VCSEL的发散光。
简而言之，由于传统的VCSEL通过窗口辐射发散光，需要一个单独的聚焦镜来强化VCSEL和光学元件之间的光耦合效率。并且，必须通过额外的步骤将该聚焦镜与来自VCSEL的激光束的光学中心轴对准，其结果导致复杂的安装步骤。
本发明的一个目的在于提供一种微透镜，具有通过限制扩散蚀刻法形成的曲面，和一种用限制扩散蚀刻法制造高质量的微透镜的简单方法。
本发明的另一个目的在于提供一种微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合及其制造方法，其中微透镜形成在VCSEL的光辐射表面上，从而不需要单独的聚焦镜和额外的步骤来将该聚焦镜和来自VCSEL的激光束的光轴对准。
本发明的第一个目的的一个方面是由一种微透镜实现的，其包括透镜体元件，和有一定曲率的微透镜表面，通过蚀刻该透镜体元件形成的凸形表面，采用有一个开口的蚀刻掩模应用限制扩散蚀刻法将透镜体的露出的一部分形成微透镜。
本发明的第一个目的的另一个方面是由一种制造微透镜的方法实现的，其包括在透镜体元件上形成一个蚀刻掩模，其具有将要形成微透镜的透镜元件体的一部分露出来的开口；制备化学腐蚀溶液，其含有对透镜体元件进行限制扩散蚀刻的蚀刻剂；和在化学蚀刻溶液中蚀刻透镜体元件，使得由蚀刻掩模露出的透镜体元件的表面成为凸形。
最好是，该透镜体元件至少是从硅和III-V化合物组成的半导体材料中的一种制成的，其中该化合物包括磷化铟，砷化镓，砷化铟，磷化镓，磷化铟镓，砷化铟镓和砷化铝镓。
最好是，该限制扩散蚀刻是由溴的扩散来实现的，和化学蚀刻溶液是用去离子水稀释的溴溶液，溴化氢溶液、去离子水和过氧化氢的混合物，或者溴化氢溶液、去离子水和酸的混合物。
并且，由于本发明的原理是以蚀刻剂的扩散为基础的，该化学蚀刻溶液含有一种溶剂，其具有比水高的粘度来推迟其中所含有的蚀刻剂的扩散，使得容易对蚀刻进行控制。例如，该化学蚀刻溶液可能是溴和甘油的混合物，溴化氢溶液、甘油和过氧化氢的混合物，或溴化氢溶液、甘油和酸的混合物。
本发明的第二个目的的一个方面是由微透镜和VCSEL的组合实现的，其中通过VCSEL产生的激光束经过微透镜聚焦并辐射，包括一个基片；一个下反射层，形成在基片上，具有相对较高的反射率；一个活性层，形成在下反射层上，通过电子和空穴的结合来产生光束；一个上反射层，形成在活性层上，具有比下反射层相对低的反射率；一个透镜层，含有具一定曲率的微透镜，通过在上反射层上涂敷发射激光的材料和蚀刻该透镜层上辐射激光束的窗口区域来形成一个用于限制扩散蚀刻的表面曲面；一个上电极，形成在透镜层上窗口区域以外的范围上；和一个下电极，形成在基片下面。
并且，根据本发明的微透镜和VCSEL的组合的另一实施例，其中通过VCSEL产生的激光束经过微透镜聚焦并辐射，包括一个基片，含有有一曲率的微透镜，由透过激光的材料和辐射激光束的基片上的窗口区域来形成一个用于限制扩散蚀刻的表面曲面；一个下反射层，形成在基片上，具有相对低的反射率；一个活性层，形成在下反射层上，通过电子和空穴的结合来产生光束；一个上反射层，形成在活性层上，具有比下反射层相对更高的反射率；一个上电极，形成在上反射层上；和一个下电极，形成在基片的底部，除了基片的窗口区域以外的部分。
最好是，透镜层或基片是由不吸收激光的具有比输出的激光束的波长更宽的带隙的材料制成，并且该材料至少是由硅和III-V化合物组成的半导体材料中的一种制成的，其中该化合物包括磷化铟，砷化镓，砷化铟，磷化镓，磷化铟镓，砷化铟镓和砷化铝镓。
本发明的第二个实施例的另一个方面是由一种制造微透镜和VCSEL的组合的方法来实现的，该方法包括制备基片；在该基片上形成具有相对高的反射率的下反射层；在下反射层上形成一个活性层，用来通过电子和空穴的组合来产生光束；在上反射层上形成一个由发射激光的材料制成的透镜层；在该透镜层上形成一个蚀刻掩模，该蚀刻掩模有一个开口露出该透镜层上的一个用来形成微透镜的窗口区域；制备化学蚀刻溶液，含有能使透镜层进行限制扩散蚀刻的蚀刻剂；在化学蚀刻溶液中通过蚀刻剂的扩散将由蚀刻掩模的开口露出的透镜层的窗口区域蚀刻成具有凸形曲率的微透镜，清除蚀刻掩模；和除了该窗口区域以外，在透镜层的一部分上形成上电极，以及在基片下形成下电极。
根据本发明的用于制造微透镜和VCSEL的组合的方法的另一个实施例包括制备一个由发射激光的材料制成的基片；在该基片上形成具有相对低的反射率的下反射层；在下反射层上形成一活性层，用来通过电子和空穴的结合产生光束；在活性层上形成具有比下反射层相对高的反射率的上反射层；在基片下形成蚀刻掩模，该蚀刻掩模有一个开口露出基片上用来形成微透镜的窗口区域；制备化学蚀刻溶液，含有使该基片进行限制扩散蚀刻的蚀刻剂；在化学蚀刻溶液中通过蚀刻剂的扩散将由蚀刻掩模的开口露出的透镜层的窗口区域蚀刻成具有凸形曲率的微透镜；清除蚀刻掩模；和除了该窗口区域以外，在透镜层的一部分上形成上电板，以及在基片下形成下电极。
最好是，化学蚀刻溶液是用去离子水稀释的溴溶液，溴化氢溶液、去离子水和过氧化氢的混合物，或者溴化氢溶液、去离子水和酸的混合物。化学蚀刻溶液中的溶剂可能是水，或具有比水高的粘度的溶剂，如甘油，来推迟其内含有的蚀刻剂的扩散。
参照附图通过详细说明本发明的优选实施例，本发明的上述目的和优点将更加突出，这些附图包括图1是传统的垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的剖视图；图2和3是根据本发明的微透镜和制造该微透镜的方法的示意图；图4是根据本发明的微透镜的一个例子的示意图；图5是说明使用蚀刻掩模通过蚀刻剂的扩散将透镜体元件蚀刻成有一个凸形表面的微透镜的原理图；图6是根据本发明的微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合的优选实施例的剖视图；图7是根据本发明的微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合的另一个优选实施例的剖视图；参照图2和3，根据本发明的微透镜包括一个半导体元件10，用来形成透镜体，和一个微透镜曲面部分30，通过放置在半导体元件10上的蚀刻掩模的开口“h”用限制扩散蚀刻法将半导体元件10的暴露的部分蚀刻成有曲面的凸形表面。
半导体元件10至少是由硅和III-V化合物组成的半导体材料中的一种制成的，其中该化合物包括磷化铟(InP)，砷化镓(GaAs)，砷化铟(InAs)，磷化镓(GaP)，磷化铟镓(InGaAs)，砷化铟镓(InGaAs)和砷化铝镓(AlGaAs)。
图2说明半导体元件10上已经形成有蚀刻掩模20的状态。对于图2的结构，在半导体元件10的用来形成透镜的表面上，首先以预定的厚度，例如100nm厚，铺设氮化硅层或氧化硅层等绝缘层。
接下来，在绝缘层上涂敷光致抗蚀剂层和进入光刻程序来露出成为微透镜的区域。然后，该绝缘层上露出的区域受到活性离子的蚀刻(RIE)和清除该光致抗蚀剂层，其结果在于得到有开口“h”的蚀刻掩模20。
该蚀刻掩模20可以由光致抗蚀剂单独形成，但是最好是前面所提到的绝缘层能应用在蚀刻掩模20的形成中，从而防治在接下来的湿蚀刻过程中蚀刻通道受到光致抗蚀剂的污染。此外，该蚀刻掩模20可以由金属材料制成。
开口“h”的直径等于要形成的微透镜的尺寸，可以在几微米至几百微米的数量级上。图2说明的是用于球形微透镜的圆形开口“h”的例子，然而，该开口“h”的形状可以根据想要的微透镜的形状而变化。例如，开口“h”可以为狭缝状用于柱状微透镜。此外，也可以形成多个开口用于微透镜组。
接下来，制备一种化学蚀刻溶液，其含有适当浓度的蚀刻剂，能够促进半导体元件10的限制扩散蚀刻。该蚀刻剂可以是溴。当溴用作为蚀刻剂时，可以通过溴的扩散来实现限制扩散蚀刻。
为了稀释该化学蚀刻溶液，使用去离子水。该用去离子水稀释的化学蚀刻溶液可以包括去离子水稀释的溴溶液(Br2)，溴化氢(HBr)溶液、去离子水和过氧化氢(H2O2)的混合物，或者溴化氢(HBr)溶液、去离子水和酸如氮酸(HNO3)的混合物。该溴化氢溶液表示一种含水溴化氢，即氢溴酸(HBr·H2O)。然而，也可以通过在去离子水以外的溶剂中稀释来制备溴化氢溶液。
当通过将溴化氢溶液与去离子水或酸等活性溶液反应来制备含有溴的化学蚀刻溶液时，最好是在加入活性溶液之前用去离子水稀释该溴化氢溶液，使得该溴化氢溶液和活性溶液之间的反应以合适的速度进行。
由于本发明涉及在化学蚀刻溶液中含有蚀刻剂扩散的基础上的湿蚀刻，为了易于控制蚀刻希望推迟蚀刻剂的扩散。实现这一点，可以使用粘度比去离子水高的溶剂，例如甘油来作为稀释剂。
含有甘油作为溶剂的化学蚀刻溶液可以是溴(Br2)和甘油的混合物，溴化氢溶液、甘油和过氧化氢(H2O2)的混合物，或者溴化氢溶液、甘油和酸的混合物。
化学蚀刻溶液制备好之后，将带有蚀刻掩模20的半导体元件10浸入到该化学蚀刻溶液中放置一定时间，例如，几分钟到几十分钟，允许该蚀刻剂通过开口“h”将半导体元件10的露出部分蚀刻成具有凸形表面的微透镜30，如图3所示。微透镜30的凸形表面是由于溴扩散的空间蚀刻速度不同引起的。
在蚀刻过程中，含有半导体元件10的化学蚀刻溶液静置反应。微透镜30的曲率由化学蚀刻溶液的浓度和反应时间所决定。
微透镜30已经完成之后，在特定的情况下清除用作蚀刻掩模20的绝缘层。
在由本发明人进行的实验中，通过涂敷大约100nm厚度的氮化硅层在InP半导体元件上形成一个蚀刻掩模，并且该结构放入化学蚀刻溶液中几分钟，例如5分钟进行蚀刻来形成一个微透镜。为了制备该化学蚀刻溶液，用200ml的去离子水稀释20ml的氢溴酸(HBr·H2O2，浓度大约为48-50％)，并与10ml的H2O2(浓度大约为34.02％)反应10分钟。然后，将400ml的去离子水加入该混合物。这里，该化学蚀刻溶液的成分可以变化。
可以通过在半导体制造过程中用来测量集成电路元件布局特性的AlphaStep500来测量在实验中得到微透镜的轮廓，并且结果如图4所示。如图4所示，可以看到该微透镜有一个光滑的凸形表面。
至此以后，参照图5说明在蚀刻剂40的扩散作用下通过开口“h”将半导体元件10的露出的表面蚀刻成凸形微透镜30的原理。
随着带有蚀刻掩模20的半导体元件10浸入到含有蚀刻剂40的化学蚀刻溶液中，寻找蚀刻目标的溴通过扩散进入到蚀刻掩模20的开口“h”中，并且到达半导体元件10的露出的表面。因为看起来更象是通过蚀刻半导体元件10的露出的表面的边缘溴在到达该半导体元件10的露出表面的中心之前消失了，半导体元件10的蚀刻路径在其露出的表面的边缘比中心深。换句话说，蚀刻深度在箭头“d”所指的方向上递减，在该露出的表面的中心达到最小值，其结果在于在该半导体元件10上形成有凸形表面的微透镜30。
在蚀刻过程中，为控制蚀刻剂40，即溴的扩散速度，除粘度比去离子水高的溶剂，例如甘油以外，去离子水可以作为溶剂用在含有溴的化学蚀刻溶液中。
图6是说明根据本发明的微透镜和VSCEL的组合的优选实施例的剖视图。参照图6，该微透镜和VCSEL的组合包括一个基片100；顺序层叠在基片100上的下反射层100、活性层120、上反射层140和透镜层150；在透镜层150除了从中辐射激光束的窗口区域180之外的部分上形成上电极160；和形成在基片100之下的下电极170。
基片100可以由半导体材料形成，例如n型掺杂的GaAs，AlGaAs，InAs，InP，GaP，InGaP，InGaAs或GaP。
每个下反射层110和上反射层140是由交替的有不同折射系数的半导体混合剂形成的，并且掺杂有不同类型的杂质。
对于图6中所示的结构，大部分激光束从上反射层140辐射，上反射层140与下反射层110相比由具有相对高的反射率的材料形成。该反射层的反射率根据形成它的半导体混合剂的层数不同而变化。于是，通过用少于形成下反射层110的材料层来形成反射层140，该上反射层140的反射率小于下反射层110的。
对于上面所提到的结构，如果基片掺杂有n型杂质，该下反射层110掺杂有同样的n型杂质但上反射层140掺杂有p型杂质。
通过上下电极160和170的作用，上下反射层140，110在电流的作用下引起电子和空穴的流动，允许活性层120产生激光束，和在活性层120中产生的激光反复反射，并且只有符合谐振条件的激光束穿过上反射层140辐射。
活性层120，在该区域由于上下反射层140和110提供的空穴和电子的组合的能量交换产生激光束，有一个单个或多个量子阱结构或超格栅结构。根据输出的激光束的波长，该活性层120可以由，例如GaAs，AlGaAs，InGaP，InGaAs和/或AlGaAsP形成。
最好是，高阻抗区域130夹在活性层120和上反射层140之间，用于引导通过上电极160作用的电流进入到活性层120的中心来产生光。图6中所示的高阻抗区域130可以是由氢核等离子的注入来实现的。在选择的氧化物中，一个预氧化层(图中没有示出)涂敷并暴露在氧气中，结果导致在该预氧化物层的露出区域处的一个绝缘的氧化层作为高阻抗区域。
透镜层150，对应于图2的微透镜的半导体元件10，以预定的厚度，例如几微米的厚度形成在上反射层140上。最好是，该透镜层150是由能够与用于上反射层140的材料的格栅匹配的半导体材料的混合剂形成的，和相对于VCSEL产生的激光的波长有更宽的带隙，使得不吸收，但仅仅传送经过该上反射层140的激光束。
例如，如果将VCSEL设计成发射波长为500至900nm的激光束，该透镜层150可以由InGaP形成。这里，In和Ga的成分比例可以根据所需要的输出的激光束的波长的变化，例如850nm，780nm或660nm而变化。
换句话说，如果将VCSEL设计成发射波长为980nm的激光束，该透镜层150可以由GaAs形成。
此外，根据VCSEL输出的激光束的波长，该透镜层150至少是由包括InP，GaAs，InAs，GaP，InGaP和InGaAs的硅和III-V化合物组成的半导体材料中的一种制成。
透镜层150在它的用于辐射激光的窗口区域180处有一个具有凸形表面的微透镜155。穿过透镜层150的激光受到微透镜155的聚焦并穿过窗口区域180辐射。
根据本发明的微透镜和VCSEL的组合，输出的经过聚焦的光束的焦距由微透镜15的曲率和透镜层150的厚度来决定。
上电极160形成在透镜层150上除了窗口180以外的区域上，和下电极170形成在基片100的下面。
当向前加偏压的电流通过上下电极160和170作用到根据本发明的该实施例的微透镜和VCSEL的组合上时，在高阻抗区域130的导引下电流进入到活性层120的中心，和来自上下反射层160和170的电子和空穴组合在活性层120中产生光束。所产生的光束在上下反射层140和110中反复反射并且只有具有与谐振条件相一致的特定波长的光束保留下来并穿过上反射层140。该穿过上反射层140的光束在经过透镜层150的过程中被微透镜155聚焦，并且随后辐射。
因此，根据本发明的微透镜和VCSEL的组合不需要相对于单独的聚焦透镜的光轴对准，这一点在传统的VCSEL中是需要的。因此，根据本发明的微透镜和VCSEL的组合保证了来自VCSEL的激光束与例如光传递系统或记录/回放装置中的光学头等光学系统的光学元件之间的充分耦合。该光传递系统是指一种系统通过使用光信号的光缆和接口提供光学通信。
当根据本发明的微透镜和VCSEL用来在非限定的空间中使用光信号进行分界面时，光发射和接收部分的安排上的自由程度增大并且可以采用有相对小的光接收面积的光接收器，这对于光信号的发射和接收是允许的。并且，根据本发明的微透镜和VCSEL的组合可以在更紧凑的结构中以包括或不包括光接收器的阵列的方式形成。
至此以后，将说明根据本发明的一个优选实施例的一种用于制造微透镜和VCSEL的组合的方法。首先，制备基片100。接下来，具有相对高的反射率的下反射层110、通过电子空穴对来产生光束的活性层120、具有相对低的反射率的上反射层140、和由不吸收激光的材料形成的例如几微米厚的透镜层150顺序地层叠在基片100上，由此得到图6中所示的辐射激光的表面的基本结构。
接下来，具有限定形成在它上面的微透镜155的形状的开口的蚀刻掩模形成在透镜层150上。为了蚀刻掩模的构成，在透镜层150上涂敷一个蚀刻掩模层，并且部分受到蚀刻来形成露出透镜层150的窗口区域180的开口。
开口的直径等于所需要的微透镜155的尺寸，可以在几微米到几百微米之间变化。此外，开口的形状根据微透镜155的形状、和进而根据窗口区域180的形状不同而改变。
在制造微透镜和VCSEL组的组合的情况下，根据所需要的VCSEL组的结构可以增加开口的个数。
该有开口的蚀刻掩模实质上与图2和3中的一样，在说明微透镜的结构中已经提到，并且因此不再重复对它的说明和描述。
至此以后，制备化学蚀刻溶液，其含有适当深度的蚀刻剂能够通过限制扩散蚀刻对透镜层150进行蚀刻。该含有蚀刻掩模的结构浸入到化学蚀刻溶液中放预定的一段时间，例如几分钟到几十分钟，允许蚀刻剂对透镜层150的露出的表面进行蚀刻，得到有凸形表面的微透镜155。
可以使用的化学蚀刻溶液和利用化学蚀刻溶液的蚀刻剂的扩散通过开口将透镜层150蚀刻成凸形微透镜155的原理基本上与参照图2至5的这些说明相同，因此不再重复这些详细的说明。
在利用化学蚀刻溶液将所有所需要的曲率的微透镜155形成在透镜150上之后，该蚀刻掩模由例如活性离子蚀刻(RIE)去除。
然后，上电极160形成在透镜层150上的除了放有微透镜155的窗口区域180以外的部分上，并且下电极170形成在基片100的下面，从而如图6所示的根据本发明的微透镜和VCSEL的组合已经完成。
在前面所述的实施例中，如果采用的是金属制成的蚀刻掩模，该蚀刻掩模可以不必去除使得它能够作为上电极160的基层或本身作为上电极160。
图7显示根据本发明的微透镜和VCSEL的组合的另一个优选实施例，其中同样的附图标记代表与图6中的作用和结构相同的元件。参照图7，该微透镜和VCSEL的组合包括有一个窗口区域280的基片200，其由能够发射所需要的波长的激光的材料制成；下反射层200、活性层120和上反射层240顺序层叠在基片200上；上电极260形成在上反射层240上；和下电极270形成在基片200上除了辐射激光束的窗口区域280以外的部分的下面。如图7所示，根据本发明的另一个实施例的微透镜和VCSEL的组合的特征在于激光束从基片200辐射。
由于该结构具有上面所述的特征，所形成的下反射层210具有比上反射层240低的反射率。例如，通过用少于上反射层240的层数来形成下反射层210，能够得到与上反射层240相比具有相对低的反射率的下反射层210，由此允许下反射层210辐射大部分激光束。用来形成上下反射层240和210的材料、和它们的层叠结构与参照图6所述明的相同，因此不再重复这些说明。
最好是，与图6所示的透镜层150相似，来自下反射层210的激光束所穿过的基片200，是由具有比输出的激光束的波长更宽的带隙的材料形成的，使得几乎不会发生基片200对激光束的吸收。
微透镜205形成在基片200的窗口区域280上，由此辐射激光束。通过限制扩散蚀刻法在基片200上形成微透镜205的原理实质上与参照图2与5所述明的微透镜的形成是相同的，因此不再重复详细的说明。
当向前加偏压的电流通过上下电极260和270作用到如图7所示的微透镜和VCSEL的组合上时，在高阻抗区域130的导引下电流进入到活性层120的中心，和来自上下反射层240和210的电子和空穴组合在活性层120中产生光束。所产生的光束在上下反射层240和210中反复反射并且只有具有与谐振条件相一致的特定波长的光束保留下来并穿过下反射层210。该穿过下反射层210的光束在经过基片200的过程中被微透镜205聚焦，并且随后辐射。
现在将说明用于制造图7所示的微透镜和VCSEL的组合的方法的另一个实施例。首先，用不吸收所需要的波长的激光束的材料制备基片200。接下来，具有相对低的反射率的下反射层210、活性层120、和具有高于下反射层21的反射率的上反射层240顺序层叠在基片200上，得到图7所示的表面辐射激光器的基本结构。
接下来，利用图2至5所述明的微透镜形成步骤，通过蚀刻剂的扩散对基片200的窗口区域280进行蚀刻，在基片200的底部上形成具有凸形表面的微透镜205。
然后，上电极260形成在上反射层240上，并且下电极270形成在基片200上除了有微透镜205的窗口区域280以外的底部部分上，从而得到图7所示的根据本发明的微透镜和VCSEL的组合。
如上所述，可以通过简单的限制扩散蚀刻法来制造根据本发明的高质量的微透镜。而且，根据本发明的微透镜和VCSEL的组合，其中用来聚焦输出激光束的微透镜形成在VCSEL的光辐射表面上，能够消除将单独的聚焦镜与输出激光束的光轴进行对准的需要。
因此，根据本发明的微透镜和VCSEL的组合可以应用于例如光传递系统/记录回放装置中的光学头等光学系统中，不需要对准光轴的额外步骤，从而减小光学系统的建设成本。
虽然此处参照其优选实施例具体显示和说明了本发明，本领域技术人员会理解在不超出所附权利要求限定的本发明的精神和实质的范围内，可以得出各种变形和改进。
权利要求
1.一种微透镜，包括一透镜体元件；和具有曲率的微透镜表面，利用有将要成为微透镜的透镜体的一部分露出来的开口的蚀刻掩模，通过限制扩散蚀刻法将透镜体元件蚀刻成凸形表面来形成。
2.根据权利要求1所述的微透镜，其中，所述透镜体元件至少是由硅和III-V化合物组成的半导体材料中的一种制成的，其中所述化合物包括磷化铟，砷化镓，砷化铟，磷化镓，磷化铟镓，砷化铟镓和砷化铝镓。
3.一种制造微透镜的方法，包括在透镜体元件上形成一个蚀刻掩模，其具有用来露出透镜元件体的一部分来形成微透镜的开口；制备化学腐蚀溶液，其含有对透镜体元件进行限制扩散蚀刻的蚀刻剂；和在化学蚀刻溶液中蚀刻透镜体元件，使得由蚀刻掩模露出的透镜体元件的表面成为凸形。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述透镜体元件至少是由硅和III-V化合物组成的半导体材料中的一种制成的，其中所述化合物包括磷化铟，砷化镓，砷化铟，磷化镓，磷化铟镓，砷化铟镓和砷化铝镓。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述的限制扩散蚀刻是由溴的扩散来实现的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述化学蚀刻溶液是从以下组合中选择的一种用去离子水稀释的溴溶液，溴化氢溶液、去离子水和过氧化氢的混合物，或者溴化氢溶液、去离子水和酸的混合物。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述的酸是氮酸。
8.根据权利要求3所述的方法，其中所述化学蚀刻溶液含有一种溶剂，其具有比水高的粘度来推迟其中所含有的蚀刻剂的扩散。
9.根据权利要求8所述的方法，其中化学蚀刻溶液是溴和甘油的混合物，溴化氢溶液、甘油和过氧化氢的混合物，或溴化氢溶液、甘油和酸的混合物中的一种。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述的酸是氮酸。
11.一种微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合，其中通过VCSEL产生的激光束经过聚焦并通过微透镜辐射，包括一个基片；一个下反射层，形成在基片上，具有相对较高的反射率；一个活性层，形成在下反射层上，通过电子和空穴的结合来产生光束；一个上反射层，形成在活性层上，具有比下反射层相对低的反射率；一个透镜层，具有曲率的微透镜，通过在上反射层上淀积透过激光的材料和蚀刻所述透镜层上辐射激光束的窗口区域来形成一个用于限制扩散蚀刻的表面曲面；一个上电极，形成在透镜层上窗口区域以外的范围上；和一个下电极，形成在基片下面。
12.根据权利要求11所述的微透镜和VCSEL的组合，其中所述透镜层是由不吸收激光的具有比输出的激光束的波长更宽的带隙的材料制成，并且所述材料至少是由硅和III-V化合物组成的半导体材料中的一种制成的，其中所述化合物包括磷化铟，砷化镓，砷化铟，磷化镓，磷化铟镓，砷化铟镓和砷化铝镓。
13.一种微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合，其中通过VCSEL产生的激光束通过微透镜聚焦并辐射，包括一个含有具一曲率的微透镜的基片，由透过激光的材料形成，并且辐射激光束的基片上的窗口区域，被限制扩散蚀刻的具有表面曲面；一个下反射层，形成在基片上，具有相对低的反射率；一个活性层，形成在下反射层上，通过电子和空穴的结合来产生光束；一个上反射层，形成在活性层上，具有比下反射层相对更高的反射层；一个上电极，形成在上反射层上；和一个除了基片的窗口区域以外，形成在基片的底部的下电极。
14.根据权利要求13所述的微透镜和VCSEL的组合，其中所述基片是由不吸收激光的具有比输出的激光束的波长更宽的带隙的材料制成，并且所述材料至少是由硅和III-V化合物组成的半导体材料中的一种制成的，其中所述化合物包括磷化铟，砷化镓，砷化铟，磷化镓，磷化铟镓，砷化铟镓和砷化铝镓。
15.一种制造微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合的方法，包括制备基片；在所述基片上形成具有相对高的反射率的下反射层；在下反射层上形成一个活性层，用来通过电子和空穴的组合来产生光束；在上反射层上形成一个由允许激光穿过的材料制成的透镜层；在所述透镜层上形成一个蚀刻掩模，所述蚀刻掩模有一个开口露出所述透镜层上的一个用来形成微透镜的窗口区域；制备化学蚀刻溶液，其含有能对透镜层进行限制扩散蚀刻的蚀刻剂；在化学蚀刻溶液中通过蚀刻剂的扩散将由蚀刻掩模的开口露出的透镜层的窗口区域蚀刻成具有凸形曲率的微透镜；清除蚀刻掩模；和除了所述窗口区域以外，在透镜层的一部分上形成上电极，以及在基片下形成下电极。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述的限制扩散蚀刻是由溴的扩散来实现的。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述化学蚀刻溶液是从以下组合中选择的一种用去离子水稀释的溴溶液，溴化氢溶液、去离子水和过氧化氢的混合物，或者溴化氢溶液、去离子水和酸的混合物。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述化学蚀刻溶液含有一种溶液，其具有比水高的粘度来推迟其中所含有的蚀刻剂的扩散。
19.根据权利要求18所述的方法，其中化学蚀刻溶液是溴和甘油的混合物，溴化氢溶液、甘油和过氧化氢的混合物，或溴化氢溶液、甘油和酸的混合物中的一种。
20.一种用于制造微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合的方法，包括制备一个由允许激光穿过的材料制成的基片；在所述基片上形成具有相对低的反射率的下反射层；在下反射层上形成一活性层，用来通过电子和空穴的结合产生光束；在活性层上形成具有比下反射层相对高的反射率的上反射层；在基片下形成蚀刻掩模，所述蚀刻掩模有一个开口露出基片上用来形成微透镜的窗口区域；制备化学蚀刻溶液，其含有对所述基片进行限制扩散蚀刻的蚀刻剂；在化学蚀刻溶液中通过蚀刻剂的扩散将由蚀刻掩模的开口露出的透镜层的窗口区域蚀刻成具有凸形曲率的微透镜；清除蚀刻掩模；和除了所述窗口区域以外，在透镜层的一部分上形成上电极，以及在基片底部形成下电极。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述的限制扩散蚀刻是由溴的扩散来实现的。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述化学蚀刻溶液是从以下组合中选择的一种用去离子水稀释的溴溶液，溴化氢溶液、去离子水和过氧化氢的混合物，或者溴化氢溶液、去离子水和酸的混合物。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述化学蚀刻溶液含有一种溶剂，其具有比水高的粘度来推迟其中所含有的蚀刻剂的扩散。
24.根据权利要求23所述的方法，其中化学蚀刻溶液是溴和甘油的混合物，溴化氢溶液、甘油和过氧化氢的混合物，以及溴化氢溶液、甘油和酸的混合物中的一种。
全文摘要
一种微透镜,通过利用具有用来限定半导体元件上的成为微透镜的凸形表面的开口的蚀刻掩模,在化学蚀刻溶液中蚀刻半导体元件形成,所述溶液含有能对半导体进行限制扩散蚀刻的蚀刻剂;和一种微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合,其中微透镜形成在由限制扩散蚀刻的激光辐射表面的窗口区域上。
文档编号H01S5/183GK1266204SQ0010650
公开日2000年9月13日 申请日期2000年2月19日 优先权日1999年2月19日
发明者李定观, 田宪秀, 申铉国 申请人:三星电子株式会社