并有具有孔隙的衬底的VCSEL的制作方法

本发明大体来说涉及半导体激光器，且更特定来说涉及垂直腔半导体激光器(VCSEL)。

背景技术：

在各种各样的光学应用中，中等功率到高功率半导体激光器是高度合意的。更特定来说，对于若干种应用(例如有源夜视装置及三维(3D)成像装置)，在介于从约760nm到约900nm的范围内的波长下操作的高功率近红外激光器是合意的。

在可用于此类应用的各种类型的激光器当中，工业中通常称为边缘发射法布里-珀罗(Fabry-Perot，FP)激光器的一种类型的激光器可满足与高功率光学输出有关的一些要求。然而，举例来说，由于发光小面处的高光学功率密度，高功率边缘发射FP激光器易于遭受毁坏性故障。由于各种晶片后制作处理步骤难以按比例放大以满足大量制造，因此高功率边缘发射FP激光器的制造成本也往往较高。此外，高功率边缘发射FP激光器的输出激光束可不合意地分散且因此难以对准到目标物体。

工业中通常称为垂直腔半导体激光器(VCSEL)的另一类型的激光器解决了与边缘发射FP激光器相关联的缺点中的一些缺点。举例来说，不同于其中光学功率密度集中于发光小面处的小区上的边缘发射FP激光器，VCSEL中的光学功率密度分布于显著较大横向表面区上，借此提供更好的装置可靠性。并且，由于例如在晶片级处多个VCSEL之可测试性等各种因素，VCSEL可以大量制造。此测试与边缘发射FP激光器的和制造相关的测试形成对比，边缘发射FP激光器的和制造相关的测试可仅在半导体晶片的单个化之后在个别装置上执行。

进一步参考VCSEL，VCSEL通常以两种风格制造：-“顶部发射”VCSEL及“底部发射”VCSEL。“顶部发射”VCSEL遭受各种障碍，所述障碍妨碍“顶部发射”VCSEL在高功率光学应用中的使用。此类障碍包含“顶部发射”VCSEL不能够满足与(举例来说)装置的作用区域中的激光发光电流约束相关联的热耗散要求。

另一方面，“底部发射”VCSEL可用于其中可准许“结向下(junction-down)”焊接以在高功率操作期间实现更高效散热的应用中。在此类型的VCSEL中，光发射穿过构成装置的顶部表面的衬底而发生。然而，由于光必须传播穿过衬底，因此“底部发射”VCSEL通常限于在某些波长内操作，在所述波长下光可传播穿过衬底的材料。换句话说，衬底材料必须对这些光学波长为“透明的”，且此要求对可使用光学波长提出限制。

总之，鉴于上文的评论，解决与传统激光器相关、特别是与VCSEL相关的各种缺点是合意的。

技术实现要素：

在本发明的一方面中，提供一种垂直腔发射激光器(VCSEL)，其包括：作用层，其夹置在第一多个半导体层与第二多个半导体层之间；衬底，其具有孔隙，所述孔隙从所述衬底的第一主要表面至少延伸到所述第一多个半导体层当中的第一半导体层的第一主要表面；及不透明底部层，其经配置以阻挡在所述作用层中产生且传播穿过所述第二多个半导体层的光。

在本发明的另一方面中，提供一种垂直腔发射激光器(VCSEL)，其包括：作用层，其夹置在第一多个半导体层与第二多个半导体层之间；衬底，其具有孔隙，所述孔隙经配置以允许在所述作用层中产生的光在传播穿过所述第一多个半导体层之后射出所述VCSEL；及不透明底部层，其经配置以阻挡在所述作用层中产生且传播穿过所述第二多个层的光。

在本发明的又一方面中，提供一种垂直腔发射激光器(VCSEL)，其包括：衬底，其具有延伸穿过所述衬底的孔，所述孔经配置以允许在所述VCSEL的作用层中产生的光射出所述VCSEL；及不透明底部层，其位于所述VCSEL的相对侧上，所述不透明底部层经配置以阻挡在所述VCSEL的所述作用层中产生的光。

附图说明

通过连同所附权利要求书及附图一起参考以下描述可更好地理解本发明的许多方面。在各图中，相同编号指示相同结构元件及特征。为了清晰，并未在每一图中以编号标示每一元件，且并未在每一图中展示或在各图中复制每一类似元件。图式未必按比例绘制，替代地，重点放在图解说明本发明的原理上。图式不应解释为将本发明的范围限制于本文中所展示的实例性实施例。

图1展示VCSEL的第一示范性实施例，所述VCSEL并有具有光穿过其从所述VCSEL射出的孔隙的衬底。

图2展示VCSEL的第二示范性实施例，所述VCSEL并有具有光穿过其从所述VCSEL射出的孔隙的衬底。

图3展示VCSEL的第三示范性实施例，所述VCSEL并有具有光穿过其从所述VCSEL射出的孔隙的衬底。

图4展示并有根据本发明的VCSEL以及一或多个额外组件的示范性光学装置。

图5展示并有根据本发明的VCSEL以及一或多个额外组件的另一示范性光学装置。

图6展示并有根据本发明的VCSEL以及一或多个额外组件的又一示范性光学装置。

图7A及7B展示描述与制作根据本发明的VCSEL的方法相关联的各种步骤的流程图。

具体实施方式

遍及本描述，出于说明发明性概念的使用及实施的目的而描述各实施例及变化。说明性描述应理解为呈现发明性概念的实例，而不应理解为限制如本文中所揭示的概念的范围。应进一步理解，本文中仅为了方便而使用某些字词及短语，且此类字词及短语应解释为指的是所属领域的一般技术人员通常以各种形式及等效物理解的各种物体及动作。举例来说，字词“孔隙”可在一些实例中在本文中所描述的上下文中理解为“通孔”，且在其它实例中理解为“部分延伸孔”或“凹部”。还应理解，如本文中所使用的字词“实例”打算本质上为非排他性的及非限制性的。更特定来说，如本文中所使用的字词“示范性”指示数个实例当中的一者，且其应理解为不针对于所描述的特定实例有过度强调或偏好。

就总体概述来说，根据本发明的垂直腔半导体激光器(VCSEL)包含具有孔隙的衬底，所述孔隙允许在VCSEL的作用层中产生的光在传播穿过第一组半导体层之后射出VCSEL。所述VCSEL进一步包含阻挡在作用层中产生且传播穿过第二组半导体层的光的不透明底部层。不透明底部层可附接到散热片以进行热耗散，借此允许在高功率电平下操作VCSEL。作用层夹置在第一组半导体层与第二组半导体层之间。不同于其中仅某些波长的光可传播穿过对这些特定波长“透明”的实心衬底的传统VCSEL，根据本发明的VCSEL的衬底中所提供的孔隙允许许多不同波长的传播。

下文描述的是根据本发明的VCSEL的各种示范性实施方案。举例来说，每一示范性实施方案并有在连接性及可操作性方面的各种有利特征。

首先关注图1，其展示并有具有孔隙185的衬底110的VCSEL 100的第一示范性实施例。VCSEL 100经配置以用于至少沿着主光学轴106穿过孔隙185将光从底部射出。如本技术领域中已知，激光产生于VCSEL的作用区域中。作用区域可通常就各种半导体层界定，例如，多量子阱(MQW)层155、n型分布式布拉格反射器(DBR)层150、p型DBR层165及电流约束层160，所述层展示于图1中。MQW层155为构成VCSEL 100的作用层的作用区域的一部分，光由于自发发射而在所述MQW层处起源。作用区域的操作是本技术领域中已知的，且此处为了简洁而将不进行详述。

邻近于p型DBR层165的是p型接触层170，所述p型接触层接近于金属接触层172而定位。p型接触层170可任选地包含经蚀刻台面部分，在此示范性实施例中，所述经蚀刻台面部分部分地由斜边171界定。经蚀刻台面部分准许在如此期望的情况下进行偏振控制或折射率导引。此外，p型接触层170连同金属接触层172一起实现VCSEL100的作用区域中的均匀电流注入。以向上指向的箭头的形式展示均匀电流注入方面，所述向上指向的箭头还指示来自VCSEL 100的光学发射的方向。此外，此布置准许VCSEL 100的作用区域中的均匀温度分布及低结温度。

金属接触层172作为不透明底部层操作，其阻挡在作用区域中产生的光从VCSEL100穿过半导体堆叠的底半部分朝向子基台190(举例来说，穿过p型DBR层165及p型接触层170)传播出去。金属接触层172还通过可附接到金属接触层172的散热片175而促进热耗散。散热片175安装于第一接合垫180上，所述第一接合垫位于子基台190的主要表面上。第二接合垫135也位于子基台190的主要表面上，如所展示。第二接合垫135提供接合线130到n型触点125的连接，所述n型触点定位成与VCSEL 100的发射表面126共面。

发射表面126可通常视为与衬底110的顶部主要表面及孔隙185的顶部部分共面。孔隙185的顶部部分具有大于较接近于VCSEL 100的作用区域而定位的相对底部部分的直径。更特定来说，在此示范性实施例中，孔隙185包含由斜壁120界定的第一渐缩桶状部分及由斜壁113界定的第二渐缩桶状部分，其中台阶部分111将第一渐缩桶状部分与第二渐缩桶状部分划分开。孔隙185从衬底110的顶部主要表面至少延伸到蚀刻停止层140。可为AlGaAs蚀刻停止层的蚀刻停止层140在一侧上邻近于n型电流扩散层145而定位且在另一侧上邻近于衬底110的底部表面而定位。在一些实例性实施方案中，孔隙185可延伸到蚀刻停止层140中，且在又一些实例性实施方案中，延伸到n型电流扩散层145中。

球形透镜105安装于孔隙185的台阶部分111上且通过使用适合环氧树脂化合物115而锚定到蚀刻停止层140。台阶部分111相对于蚀刻停止层140的高度116(“h”)可基于各种准则而选择，例如，球形透镜105的直径、与球形透镜105相关联的聚焦参数及球形透镜105的操作的本质(举例来说，作为准直透镜或聚焦透镜)。在一个示范性实施方案中，球形透镜105具有约100微米的直径，且台阶部分111相对于蚀刻停止层140的高度116为约50微米。在此布置中，处于850纳米的波长的光可从具有约30微米的直径的VCSEL 100传播出去。

由于孔隙185的几何形状(特别是由于斜壁120及台阶部分111)，球形透镜105可以高度精确度放置于孔隙185内部。孔隙185的几何形状(直径、深度等)经选择使得球形透镜105的顶部表面位于VCSEL 100的发射表面126下方。此特征在VCSEL 100的制造期间提供若干个优点，例如，在裸片拾取与放置操作期间保护球形透镜105、在晶片级处消除与线接合操作的干扰、在晶片级处在线接合操作完成之后促进较容易测试程序及在制造期间准许与倒装芯片相关的动作。此与传统方法形成对比，在传统方法中，透镜必须仅在完成某些晶片级操作(例如线接合及裸片拾取与放置)之后放置于VCSEL中。在完成晶片级操作之后将透镜放置于VCSEL中可通常使芯片级测试而不是更有利的晶片级测试成为必须。

往回转到VCSEL 100，在此示范性实施例中，衬底110被指示为n型GaAs衬底。然而，在其它实施例中，可替代地使用除GaAs之外的材料。无论针对衬底110所选择的材料的本质如何，使VCSEL 100的操作波长低于衬底110的吸收阈值是合意的。在其中将适合材料用于衬底110的各种示范性实施例中，VCSEL 100可在介于从约760nm到约1060nm的范围内的波长下操作。

图2展示也并有衬底110及孔隙185的VCSEL 200的第二示范性实施例。VCSEL 200的光产生部分及发光部分类似于上文所描述的VCSEL 100的光产生部分及发光部分且因此为了简洁将不在此处重复。然而，与其中接合线130附接到定位成与VCSEL 100的发射表面126共面的n型触点125的VCSEL 100相比，在此第二示范性实施例中，VCSEL 200并有位于半导体堆叠内的n型触点205。如上文所描述，半导体堆叠包含各种层，例如(MQW)层155、n型DBR层150、p型DBR层165及电流约束层160，且在发现适合时，n型触点205可位于这些层中的一或多者内。

在此示范性实施方案中，n型触点205位于n型DBR层150中且提供于可从子基台190接达的凹部210内部。此外，在此示范性实施方案中，凹部210具有倒置桶状形状，其中倒置桶的较大端较接近于子基台190而定位且倒置桶的较小端容纳n型触点205。凹部210不仅给线连接或可在n型触点205与位于子基台190上的接合垫180之间做出的其它类型的连接提供保护性环境，而且消除与线接合外部线接合件(例如图1中所展示的线接合件130)相关联的某些操作。

图3展示也并有衬底110及孔隙185的VCSEL 300的第三示范性实施例。VCSEL 300的光产生部分及发光部分类似于上文所描述的VCSEL 100的光产生部分及发光部分且因此为了简洁将不在此处重复。然而，在此第三示范性实施例中，p型触点310以及n型触点305定位成与VCSEL 300的发射表面326共面。在此布置中，n型触点305及p型触点310骑跨孔隙185。此外，一对凹部(具体来说，第一凹部320及第二凹部325)提供于半导体堆叠内部。第一凹部320在半导体堆叠内部包含台阶部分。n型触点315提供于此台阶部分上。

图4展示包含位于外壳405内部的VCSEL的示范性光学装置400。外壳405的顶部表面作为用于安装各种组件(例如，投射透镜410)的安装平台操作。位于外壳405内部的VCSEL可为根据本发明的本文中所描述的VCSEL中的任一者。在此示范性说明中，VCSEL为上文所描述的VCSEL 200，且并有到VCSEL 200中的透镜105为使经准直光束朝向投射透镜410传播的准直透镜。投射透镜410包含衍射光学元件(DOE)415及折射透镜416。投射透镜410及特别是布置为与通过透镜105传播的经准直光束对准的DOE415可根据各种所要功能性来选择。

在第一实例性实施方案中，DOE 415可为非成像漫射器，其作为势垒操作以防止人因直接观看由VCSEL 200发射的激光束而遭受眼睛伤害。除提供眼睛伤害保护外，DOE415还漫射由VCSEL 200发射的激光束且以一或多个预定义角度跨较大照明场投射经漫射光。

在第二实例性实施方案中，DOE 415可为用于产生各种光图案的光束整形元件。举例来说，DOE 415可在三维(3D)感测装置中用于产生用于感测一或多个物体的一或多个经界定二维(2D)光图案。

图5展示并有VCSEL的示范性光学装置500，所述VCSEL使光朝向所述VCSEL安装于其上的子基台传播。在此示范性说明中，VCSEL为上文所描述的VCSEL 300。p型触点310通过使用安装垫537及焊料536而附接到玻璃子基台530。n型触点305类似地通过使用安装垫538及焊料539而附接到玻璃子基台530。为VCSEL 300的一部分的透镜105使光沿着主光学轴520传播。第二透镜510安装于子基台530的主要表面上，使得第二透镜510的光学轴与主光学轴520重合。提供于相对主要表面上的导电金属膜525包含孔隙515，光沿着主光学轴520穿过所述孔隙从光学装置500传播出去。

提供于导电金属膜525中的孔隙515允许光学装置500作为非常小孔隙激光器(VSAL)操作。光学轴520与孔隙515的准确对准可以各种方式实现，例如，通过在焊料537及焊料539经受焊料回流工艺时n型触点305及p型触点310的自对准动作。

图6展示是上文所描述的光学装置500的变体的示范性光学装置600。在此示范性实施例中，由VCSEL 300沿着主光学轴620发射的光入射于位于子基台625上或为子基台625的一体式部分的光学光栅605上。光学光栅605将从VCSEL 300接收的光引导到也可为子基台625的一体式部分的光学波导610中。子波长孔隙615提供于光学波导610的发光小面处，因此具有子波长大小的光可从子波长孔隙615传播出去。

图7A及7B展示描述与制作根据本发明的VCSEL的方法相关联的各种步骤的流程图。在步骤705中，提供n型GaAs衬底。在步骤710中，在n型GaAs衬底上外延生长n型AlGaAs蚀刻停止层，后续接着步骤715，在步骤715中，在n型AlGaAs蚀刻停止层上外延生长对应于半导体堆叠的额外层(DBR层、MQW层等)。在步骤720中，在n型GaAs衬底的经暴露顶部表面上提供蚀刻深度对准标记。此后续接着步骤725，在步骤725中，在VCSEL的对应于VCSEL的电流约束区的指定作用孔隙区外部执行质子植入。在步骤730中，在期望偏振锁定或折射率导引的情况下，向p型DBR层中蚀刻台面，后续接着步骤735，在步骤735中，沉积呈p型触点的形式的金属层。在步骤740中，通过以下操作在金属层的顶部表面上提供散热片：通过例如厚金镀敷等工艺或通过将散热片结合到高导热率子基台。在步骤745中，可使用红外(IR)对准器来在子基台的底部表面上界定n触点金属图案，后续接着步骤750，在步骤750中，沉积欧姆金属，后续接着合金化工艺以形成n型触点。在步骤755中，可任选地在n型触点的顶部上添加额外金属以便形成接合垫。

在步骤760中，在衬底中制作孔隙以用于容纳球形透镜。在步骤765中，将孔隙的底部部分钝化，后续接着移除n型接合垫区中的钝化部。在步骤770中，将球形透镜浸渍到环氧树脂储器中且允许过量环氧树脂从球形透镜滴落达受控持续时间。在步骤775中，将球形透镜放置于孔隙中。在完成步骤775后，在步骤780中，在球形透镜处于适当位置中的情况下执行用于测试VCSEL的测试程序。此可通过将探针放置成与其上成批制造多个VCSEL的晶片接触而执行。在步骤785中，执行裸片单个化以将晶片切割成若干个别VCSEL，且用线接合互连件将个别VCSEL附接到子基台。

总之，应注意，已出于演示本发明的原理及概念的目的而参考数个说明性实施例描述了本发明。所属领域的技术人员鉴于本文中所提供的描述将理解，本发明不限于这些说明性实施例。举例来说，虽然在本文中所描述的各种实施例中孔隙为圆形孔隙，但在各种其它实施例中，举例来说，孔隙可为椭圆形形状的孔隙或四边形形状的孔隙。此外，孔隙的壁可不仅为如各图中所展示的平滑表面，而且可在各种实施方案中具有各种不规则形状。所属领域的技术人员将理解，可在不背离本发明的范围的情况下对说明性实施例做出许多此类变化。