专利名称：半导体激光器件的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及半导体激光器件，具体涉及其中边发射激光器与反射器于同一芯片上集成在一起以形成面发射半导体激光器件的半导体激光器件。
背景技术：
半导体激光器通常用在通信及数据通信网络的光学收发器中。用在这种光学收发器中的激光器通常为边发射型。用于光学收发器的边发射型激光器通过标准光刻和外延的方法在半导体晶片上被制造，被切割成芯片，并且每个芯片的一部分均被涂布反射及防反射涂层。然后可以测试成品芯片。希望制造步骤的数目最小化，并提高易测性。终端用户通常优选垂直腔面发射激光器(VCSEL)，这是因为其无需进行束形校正，具有与光纤的较高耦合效率，由此降低了测试/封装成本。但是，目前，一些VCSEL在被制造以进行高速工作时，存在与单一模式产量控制相关的问题。业界已经致力于将边发射器件转换为垂直发射器件。例如，美国专利号7，245，645B2揭示了一个或两个激光面，其以45度的角度被蚀刻以形成垂直反射激光束的45度镜面。但是,在该方案中,45度镜面处于激光器腔内。将蚀刻的镜面设置在激光器腔内部需要在制造过程中进行高质量的面蚀刻。在面蚀刻处理过程中发生的任何面损坏均会引起可靠性的问题，在大功率下工作尤其严重。美国专利号5，671，243揭示了使用处于激光器腔之外的常规90度激光面，但在同一芯片中，存在反射镜，其将激光束沿表面的方向导向。因为镜形成在有源层内，故不能够调节镜的高度及位置。为此，难以或不能够对结构进行优化。转让给本申请的申请人的美国专利号7，450，621揭示了一种克服上述很多困难的技术。该专利揭示了一种半导体器件，其中衍射透镜与边发射激光器在同一芯片上集成。衍射透镜以单片形式与边发射激光器集成在磷化铟(InP)衬底材料上。将衍射透镜以单片形式集成在其中集成有边发射激光器的同一芯片上要求执行多次电子束光刻(EBL)曝光以及干法蚀刻处理，由此会增加器件的制造成本。希望提供一种面发射半导体器件，其实现边发射激光器的功能以获得与其相关的优点，并且具有较低的制造及测试成本。
发明内容
本发明涉及面发射半导体激光器件以及用于制造该器件的方法。该器件包括衬底，其具有上表面及下表面；布置在衬底上的多个半导体层，形成在半导体层中以产生具有激射波长的激光的边发射激光器，形成在半导体层中的沟道；设置在沟道中的聚合物材料，以及布置在聚合物材料的大致面对激光器的第二端面的斜侧面上的反射器。在激光器工作过程中，离开第二端面的激光的至少一部分沿与衬底的上表面大致垂直的方向被反射器反 射。制造方法包括在衬底上沉积或生长多个半导体层，在一个或多个半导体层中形成半发射激光器以生成具有激射波长的激光，在半导体层中形成沟道，并且在沟道中设置聚合物材料，在聚合物材料的大致面对激光器的第二端面的斜侧面上形成反射器。参考以下描述、附图及权利要求，本发明的这些及其他特征及优点将变的清楚。
图IA示出了根据示例性、说明性实施例的面发射半导体激光器件的俯视立体图。图IB示出了沿图IA中的线A-A’所取的图IA所示的面发射半导体激光器件的侧视平面图。图2A示出了根据另一说明性实施例的面发射半导体激光器件的俯视立体图。图2B示出了沿图2A中的线A-A’所取的图2A所示的面发射半导体激光器件的侧视平面图。图3是图2A及图2B中所示的面发射半导体激光器件的一部分的俯视平面图。图4A-图4H—起示出了处理步骤次序，其可被用于制造图1A-2B所示的面发射半导体激光器件。
具体实施例方式本发明涉及面发射半导体激光器件，其中形成在半导体材料中的边发射激光器以及形成在聚合物材料中的反射器在面发射半导体激光器件中被集成在一起。该器件包括形成在布置在半导体衬底上的半导体材料的各层中的边发射激光器、布置在与其中形成有边发射激光器的层横向相邻的衬底上的聚合物材料、以及形成在聚合物材料的与边发射激光器的激光器槽面对的聚合物材料的斜面内或上的反射器。传播离开边发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，由此使得光沿与其表面大致垂直的方向被导离面发射半导体激光器件。通过在聚合物材料中而非以单片形式在半导体材料中形成反射器，可在为了优化选择反射器的高度及位置方面提供优势。另一优势在于聚合物材料的斜面通过与被用于蚀刻半导体材料的蚀刻处理相分离的蚀刻处理、并使用与用于蚀刻半导体材料不同的气体系统形成。该特征在设计反射器方面提供了额外的自由度。此外，因为可通过在晶片层执行涂布处理的聚合物材料中形成反射器，可在晶片上(即，在执行分割之前)来测试全部面发射半导体激光器件。该后一特征也降低了制造成本。图IA示出了根据示例性说明实施例的面发射半导体激光器件I的俯视立体图。图IB示出了沿图IA中的线A-A’所取的在图IA中所示的面发射半导体激光器件I的侧视图。现将参考图IA及图IB来描述根据本说明性实施例的半导体激光器件I。器件I包括半导体衬底2、布置在衬底2的上表面2a上的缓冲层3、形成在一个或更多多量子阱(MQW)有源层以及布置在缓冲层3的顶部上的覆盖及接触层5中的边发射激光器4、与边发射激光器4横向相邻地布置在衬底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的斜侧面IOa上的反射器20。如果参考由X、Y及Z轴定义的笛卡尔坐标系来观察器件1，斜侧面IOa通常(但并非必须)相对于X-Y平面以45度角倾斜。P金属端子13 (在图IB中示出，但未在图IA中示出)形成在面发射半导体激光器件I的位于层5之上的最上层的顶部上。N金属端子14(在图IB中示出，但未在图IA中示出)形成在衬底2的下表面上。根据图IA及图IB的说明性实施例，器件I是法布里-珀罗(F-P)激光器件。在F-P激光器件中，为了减小面损失，需要在边发射激光器的端面上形成高反射性(HR)涂层。在图IB中，由参考标号15表示的层对应于HR涂层。HR涂层15具有基于边发射激光器4的腔长度而选择的反射值。如果HR涂层15的反射值足够高，则可以省去通常是金属薄层的反射器20，这是因为HR涂层15将起到反射器的作用，来沿与衬底2的上表面2a大致垂直的方向将由边发射激光器4发出的激光反射至器件I之外。形成衬底2的材料例如可以是掺杂磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs)。为了示例目的，将假定半导体衬底2由InP制成。还将假定缓冲层3由n型InP制成。层5包括MQW有源区域、一个或更多P型InP间隔层、填充层以及覆盖及接触层，通常利用公知MOCVD技术而生成。本领域的技术人员将理解使上述额外层包含在器件I中的设置方式。边发射激光器4通常为脊结构，例如业内公知的反向台面脊结构。可用于形成上述脊结构的方法在美国专利号7，539，228中详细阐述，其被转让给本申请的申请人，并通过引用将其全部内容包含在本说明中。如本申请所述，可利用在背景技术部分中描述的常规技术来蚀刻脊结构，或利用在本申请的具体实施方式
部分中描述的技术来生成脊结构。在工作期间，边发射激光器4大致沿与衬底2的平面平行的轴线发出光束。激光束从边发射激光器4的出射面射出，并相对于聚合物材料10的斜侧面IOa通常以大致45度角入射在反射器20上(或者，如果无需反射器20，则入射在HR涂层15上)。然后，激光束被反射器20 (或被HR涂层15)沿大致朝向聚合物材料10的上表面IOb的方向反射，该方向大致垂直与衬底2的上表面2a。因此，从沿与衬底2的上表面2a大致垂直(即，与器件I的上表面大致垂直)的轴线取向的器件I发出激光束。为此，在此将器件I称为“面发射”器件。图2A示出了根据另一示例性说明实施例的面发射半导体激光器件30的俯视立体图。图2B示出了沿图2A中的线A-A’所取的图2A中所示的面发射半导体激光器件30的侧面视图。图3示出了图2A及图2B所示的器件30的俯视平面图。现将参考图2A、图2B及图3来描述根据该说明性实施例的半导体激光器件30。因为图2A-图3所示的器件30的一些构件或特征或许与图IA及IB中所述的器件I的构件或特征相同，故将在这些图中使用类似的参考标号来表示类似的特征或构件。器件30包括半导体衬底2、布置在衬底2的上表面上的缓冲层3、形成在布置于缓冲层3的顶部上的一个或更多层5中的边发射激光器4、布置在与边发射激光器4横向相邻的衬底2的上表面上的聚合物材料10、以及布置在聚合物材料10的斜侧面IOa上的反射器20。根据图2A及图2B的说明性实施例，器件30是分布反馈型(DFB)半导体激光器件，而非F-P半导体激光器件。因此，为了完成光学反馈，在增益耦合DFB的情况下，将光栅35形成在层5的MQW层中；在索引指导DFB的情况下，将光栅35形成在层5的MQW层之外。在DFB激光器中，通常使边发射激光器的波导相对于Y轴倾斜，以降低在激光器的出射面处的反射。为此，根据图2A及图2B所示的说明性实施例，光栅35的光轴36相对于Y轴倾斜第一角度9 1，使得因Snell定律形成下的折射，通过波导传播的激光相对于Y轴以第二角度0 2从出射面射出。尽管本发明并不限于任何具体的角度范围，但9 I的值通常介于约5度至15度之间，而0 2通常介于约25度至35度之间。与图IA及图IB所示的实施例类似，斜侧面IOa通常相对于X-Y平面以45度角倾、斜。根据本实施例，斜侧面IOa的平面还绕Z轴转动第三角度03，其与第二角度02相同，由此激光相对于Z轴及X-Y平面以45度角入射在反射器20上。
图4A-图4H示出了一系列制造步骤的示例，其可被用于制造参考图IA及图2B所述的半导体激光器件I及30。将参考器件I来描述制造方法。可利用常规技术来制造器件I。本领域的技术人员将理解，可以包括制造上述类型的器件时通常使用的图4A-4H未示出的其他步骤。图4A-4H是图IA所示的器件I在制造过程的各个阶段的侧视立体图，其中在器件I中形成沟道50及脊结构60。图1A-4H中的类似标号表示类似的构件或特征。参考图4A，通常(但并非必须)为二氧化硅(SiO2)膜的第一介电膜45被沉积在层5(例如，填充层、覆盖层、接触层)的顶部上。利用常规光刻和干法刻蚀来将被用于定义脊结构的位置及构造的脊掩膜图案46形成在介电膜45中。参考图4B，通常(但并非必须)为SiO2的第二介电膜47被沉积在脊掩膜图案46上，并经过常规光刻和干法刻蚀，由此形成随后被用于定义沟道的沟道掩膜图案48。参考图4C，通常通过使用电感耦合等离子体(ICP)蚀刻来蚀刻图4B所示的器件1，由此形成沟道50。为此目的使用ICP蚀刻处理的优势在于，其使得与蚀刻区域相邻的层的损伤极小，同时将定义沟道50的垂直侧的垂直侧壁轮廓保持的极佳。参考图4D，通过使用反应离子蚀刻(RIE)处理来去除图4C所示的沟道掩膜图案48，由此仅留下图4A所示的脊掩膜图案46以及图4C所示的沟道50。参考图4E，然后使用RIE或ICP来形成脊结构60，而无需其他光刻对准。参考图4F，然后去除脊掩膜图案46以暴露脊结构60。参考图4G，通过涂布及回蚀处理，由聚合物材料10来填充沟道50。参考图4H，通过标准光刻/蚀刻技术或通过压印技术，将斜侧面IOa形成在聚合物材料10中或聚合物材料10上，后者使用具有与聚合物材料10的希望形状补充的形状的母掩模(为了清楚起见，未示出)，使得在其中形成斜侧面10a。压印技术是低成本制造技术，其允许极大降低与制造器件I相关的整体成本。如图4H所示，在已经在聚合物材料10中形成斜侧面IOa之后，然后在器件I (图IA及图1B)上形成HR涂层15、p金属端子13以及反射器20 (如果需要)。为了清楚起见，在图4H中未示出端子13及14，HR涂层15以及反射器20。以上参考图4A-4H所述为了形成器件I的制造处理与将用于形成器件30的处理大致相同，区别在于使用额外的处理步骤来形成光栅35 (图2B)，并且改变其他一些步骤以使边发射激光器4的波导倾斜，并且在器件30中使用AR涂层，而非HR涂层。本领域的技术人员将理解执行这些额外步骤的情形。因此，为了简洁，这里将不描述这些额外步骤。为了描述本发明的原理及概念，已经参考了一些说明示例性实施例描述了本发明。但是，通过理解这里的描述，本领域的技术人员将理解，本发明并不限于这些实施例。例如，虽然已经使用InP描述了器件I及30的衬底2及其他层，但衬底2及其他层可包括任何合适的材料，例如GaAs衬底、铝镓(AlGa)、铝镓砷化铟(AlGaInAs)等。此外，可以使用各种其他金属构造用于P金属及n金属端子。面发射半导体激光器件I及30可类似于横向单模或多模激光器，或者类似于纵向单模激光器工作。本领域的技术人员将理解可对这里描述的实施例进行各种修改，本发明意在涵盖全部这些修改及改变。
权利要求
1.一种面发射半导体激光器件，包括 衬底，其具有上表面及下表面； 多个半导体层，其至少包括最下层以及最上层，其中，所述最下层被布置在所述衬底的所述上表面上，所述多个半导体层具有形成在其中的边发射激光器，用于在所述激光器被激发时产生具有激射波长的激光，所述激光器具有第一端面及第二端面，其中，当所述激光器被激发时，具有所述激射波长的所述激光通过所述第二端面离开所述激光器； 形成在所述多个半导体层中一个或多个层中的沟道； 设置在所述沟道中的聚合物材料，所述聚合物材料至少包括下表面及斜侧面，所述聚合物材料的所述下表面与所述沟道接触，所述斜侧面大致面对所述边发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侧面上的反射器，其中，离开所述边发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，并且沿与所述衬底的所述上表面大致垂直的方向被所述反射器反射。
2.根据权利要求I所述的面发射半导体激光器件，其中，所述反射器包括布置在所述聚合物材料的所述斜侧面上的金属层。
3.根据权利要求2所述的面发射半导体激光器件，其中，所述边发射激光器是法布里-珀罗(F-P)激光器，并且其中，所述金属层是高反射率(HR)涂层的一部分，其涂布所述边发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侧面。
4.根据权利要求2所述的面发射半导体激光器件，其中，所述边发射激光器是分布反馈型(DFB)激光器，并且其中，所述边发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侧面被防反射(AR)涂层涂布，并且其中，所述反射器被布置在所述AR涂层上。
5.根据权利要求2所述的面发射半导体激光器件，其中，所述边发射激光器是法布里-珀罗(F-P)激光器，并且其中，所述边发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侧面被高反射率(HR)涂层涂布，并且其中，包括所述反射器的所述金属层被布置在所述HR涂层上。
6.根据权利要求I所述的面发射半导体激光器件，其中，所述聚合物材料的所述斜侧面为大致平坦表面，其相对于所述衬底的所述上表面成一定角度。
7.根据权利要求6所述的面发射半导体激光器件，其中，所述角度大致为45度。
8.根据权利要求7所述的面发射半导体激光器件，其中，离开所述第二端面的激光沿所述边发射激光器的波导传播，所述波导具有光轴，所述光轴相对于所述斜侧面的所述大致平坦表面成大致45度的角度。
9.根据权利要求8所述的面发射半导体激光器件，其中，所述边发射激光器的所述波导的所述光轴与所述衬底的所述上表面大致平行。
10.一种制造面发射半导体激光器件的方法，所述方法包括以下步骤 在衬底上，沉积或生长至少包括最下层及最上层的多个半导体层，其中，所述最下层被布置在所述衬底的上表面上； 在所述多个半导体层中一个或更多层中，形成用于产生具有激射波长的激光的边发射激光器，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发，则由所述激光器产生的所述激光通过所述第二端面； 在所述多个半导体层中形成沟道； 在所述沟道中设置聚合物材料，所述聚合物材料至少包括下表面及斜侧面，所述斜侧面大致面对所述边发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侧面上形成反射器。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述反射器包括金属层。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述边发射激光器是法布里-珀罗(F-P)激光器，所述方法还包括以下步骤 在形成所述反射器之前，利用高反射率(HR)涂层来涂布所述边发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侧面，并且其中，将所述反射器布置在所述HR涂层上。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述边发射激光器是分布反馈型(DFB)激光器，所述方法还包括以下步骤 在形成所述反射器之前，利用防反射(AR)涂层来涂布所述边发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侧面，并且其中，将所述反射器布置在所述AR涂层上。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述边发射激光器是法布里-珀罗(F-P)激光器，并且其中，形成所述反射器的所述步骤包括利用高反射率(HR)涂层来涂布所述边发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侧面，并且其中，包括所述反射器的所述金属层被布置在所述HR涂层上。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述聚合物材料的所述斜侧面为大致平坦表面，其相对于所述衬底的所述上表面成一定角度。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述角度大致为45度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述边发射激光器具有波导，所述波导具有光轴，所述光轴大致平行于所述衬底的所述上表面，并且相对于所述斜侧面的所述大致平坦表面成大致45度的角度。
全文摘要
本发明涉及其中边发射激光器与反射器集成以形成面发射半导体激光器件的半导体激光器件。该面发射半导体激光器件被设置包括形成在布置于半导体衬底上的各层半导体材料中的边发射激光器、被布置在衬底上与其中形成有边发射激光器的层横向相邻的聚合物材料、以及形成在聚合物材料的大致面对激光器的出射端面的斜侧面中或上的反射器。离开出射端面的激光在被反射器沿与衬底的上表面大致垂直的方向反射离开器件之前传播通过聚合物材料。
文档编号H01S5/028GK102629733SQ20121002510
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月1日 优先权日2011年2月1日
发明者方瑞雨, 朱莉安娜·莫若罗, 盖德·艾伯特·罗格若, 罗伯拓·帕沃勒特, 迈克勒·埃戈斯特 申请人:安华高科技光纤Ip(新加坡)私人有限公司