刚性高功率和高速激光网格结构的制作方法

本专利申请要求于2015年7月30日提交的美国临时专利申请序列号62/199,117的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。

本专利申请还要求于2015年12月29日提交的美国临时专利申请序列号62/272,242的优先权，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。

背景技术：

因为与单个的激光器、光纤激光器、二极管泵浦固态(DPSS)激光器、和发光二极管(LED)相比，激光器阵列更高的操作光功率和高频操作，激光器阵列在通信、光检测和测距(LiDaR)、和材料处理领域中变得重要。

激光器阵列通常用于印刷和通信，但是在具有到阵列中的每个激光器装置的单个独立连接以用于并行通信的配置中，其中因为每个激光器具有独立于阵列中的其它装置的触点，所以每个激光器可以具有独立的信号。

当阵列元件连结在一起并且用单个信号驱动时，结构具有太多的电容或电感。这种高电容/电感特性减慢了激光器阵列的频率响应，从而在这样的激光器阵列增加更多元件时，使得它们更慢。这在Yoshikawa等人的参考工作(“High Power VCSEL Devices for Free Space Optical Communications”,Proc.of Electronic Components and Technology Conference,2005,pp.1353-58Vol.2)和美国专利第5,978,408号中得到了证明。

在发明人先前的工作(美国专利申请公开2011/0176567)中描述了基于多台面结构的高速激光器阵列。美国专利申请公开2011/0176567描述了多台面的半导体激光器阵列以及它们与用于高频操作的高速电波导的连接。然而，在美国专利申请公开2011/0176567中描述的多台面结构存在一些缺点。

在美国专利申请公开2011/0176567中描述的台面结构的一个问题是：它们通常是脆性的。如果在形成台面之后存在结合到或者触碰激光器的任何机械程序，则这是一个问题。台面结构的直径可以小至5至10微米，并且由非常易碎的材料(诸如GaAs或者AlGas)或者其它类似的结晶材料组成。这些台面在处理之后必须被结合，并且在加热下施加压力，使得激光器台面的基台和顶部与焊料电结合。当结合背面发射装置阵列时，结合处的典型故障机理是破裂的台面，破裂的台面致使激光器无用并且可以导致整个装置废弃。如果在芯片上存在30个激光器并且在结合之后2个坏了，这2个装置将不会亮起。测试仍然必须进行，造成昂贵的处理来去除故障。

另一个问题是：由于存在于激光器芯片上的多个台面的间隔要求，所以多台面结构产出作为芯片有效面积的函数的相对较低的激光功率。

由台面隔离产生的多个台面阵列的另一个问题是：由于频率响应相关的设计参数偏好信号穿过接触焊盘行进的较短距离，所以激光器被分开一定距离，这限制了阵列的总体尺寸。之后，使用具有增加功率的元件的阵列，诸如，用于红外(IR)照明的多垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列。然而，这些IR源不支持高频操作，所以它们的脉冲宽度限于照明，而不是需要快速脉冲宽度的LIDAR。

技术实现要素：

为了满足本领域对更坚固和更强大的高速激光器阵列的需要，发明人在本文中公开了一些发明实施例。例如，下文描述的本发明的实施例包含高频电波导，以将阵列的激光器连接在一起，同时通过在采用电波导的基板上形成信号焊盘来减小电容。本发明的实施例还包括：在单个结构中使用多导电电流限制技术来产生多个区域，与结构的非导电部分相比，该多个区域是导电的。在不在激光点的整个结构周围进行蚀刻的情况下，导电部分形成激光区域或者激光网格，从而形成激光器。不同于在上文引用的美国专利第5,978,408号中描述的设计，本文公开的本发明的实施例被设计并处理为使得激光器阵列与高速电波导集成在一起以实现高频率操作。本发明的实施例通过展示高频操作和刚性结构两者，来支持设计高功率高速光源中的新的且独特的机会，从而相对于本领域已知的其它设计增强了性能和可靠性。

在本文公开的一个示例实施例中，从垂直腔面发射激光器(VCSEL)外延材料处理的独特结构形成来自单个刚性结构的激光点网格，与在VCSEL阵列中形成的典型台面结构(诸如，在美国专利申请公开2011/0176567中提到的那些台面结构)相比，通过减小电容、增加结构完整性并且减少填充因子，该激光点网格有利于高速操作。应该理解，VCSEL实施例仅是示例，并且这种设计可以与其它激光器类型一起工作，诸如，谐振腔发光二极管(RCLED)、LED、或者垂直扩展(或者外部)腔面发射激光器(VECSEL)。

使用离子注入或者通过微结构或孔的非导电氧化区域，本文描述的单个连续结构形成孔隙的电隔离区域，同时保持通常被蚀刻掉的材料的结构完整性。新结构的形成还允许在不同的隔离的激光传导点或者网格之间分布高速信号。激光网格的所有P接触区域可以并联连接至地-信号-地(GSG)集成电波导的信号部分。在波导中打开和关闭的信号或者电流被分布在形成激光器的所有导电路径之间。应该理解，可以使用其它类型的电波导，诸如，微带波导。

单个连续结构具有其它益处，诸如，用于在更大的电镀结构内的热分布的更大基部。比起阵列结构，激光网格彼此更靠近在一起。由于信号必须行进一段距离到阵列中的每个单点，所以激光器分开得越远，频率响应或者限制装置的最终带宽的速度越慢。

因此，来自本发明的实施例的优点的示例包括：

1.刚性结构在芯片结合处理中具有更高的可靠性。

2.刚性结构具有更高的填充因子可能性。

3.刚性结构具有更高可靠性的金属触点。

4.刚性结构更容易处理。

5.刚性结构的触点之间的距离更短，从而实现更高频大功率光束。

6.刚性结构是用于要附接的单个透镜或者透镜阵列的更好的表面拓扑。

7.刚性台面结构为与电位分离的引线和触点产生另一个区域，从而降低电容。

8.由于触点的3D性质，所以刚性结构允许与基台更高的集成度。

此外，利用一个示例实施例，通过将电流限制到与非导电离子注入区域相比存在导电性的结构中的隔离区域而实现的多于一个的激光区域，来形成激光网格。导电区域和非导电区域形成光网格，该光网格在单个固体结构上具有用于有源正接触的单个金属触点，并且在周围的接地结构上具有单个N触点，周围的接地结构在隔离两个区域的沟槽的底部处短接到N接触区域。举例来说，图7C示出了框架中的开口将如何帮助提高速度。

然后将这些P和N触点结合到高速电触点。2个基板和激光器芯片通过结合器被对准，然后施加热量和压力以结合已经沉积在一个芯片或者另一个芯片上的焊料。因为通过镀层和焊料高度来将p焊盘与n晶片接地分离，但是主要是通过将其从激光器基板移除并且将其放置在电波导基板上来与n晶片接地分离，所以实现高速。物理分离显著地降低了电容，增加了受电路的电容限制的频率响应。这使激光网格能够实现高频操作。

在基板的背面上形成的单个透镜或者附接或结合到网格结构的背面的单个透镜可以从会聚点引导每个激光点或者将每个激光点引导至会聚点。这对于使光束输出准直来说是理想的，就好像它来自单个源。

本发明的这些和其它特征和优点会在下文中向本领域的普通技术人员描述。

附图说明

图1至5示出了示例顶部发射注入实施例的各种视图。

图6示出了示例底部发射注入实施例的视图。

图7示出了示例顶部发射氧化实施例的视图。

图8至14c示出了示例底部发射氧化实施例的各种视图。

图15示出了示例微带实施例的视图。

图16示出了示例相位相干实施例的视图。

图17示出了采用衍射光学元件的示例实施例的视图。

图18示出了采用图案衍射光栅的示例实施例的视图。

图19示出了示例微透镜实施例的视图。

图20示出了示例第十实施例的视图。

图21示出了示例第十一实施例的视图。

图22示出了示例第十二实施例的视图。

图23示出了关于各种实施例的用于激光网格的附加图案的一个示例。

图24在如本文描述的所设计的示例实施例与美国专利申请公开2011/0176567所教导的实施例之间比较地示出了电流流动。

具体实施方式

实施例1-顶部发射注入

图1示出了本发明的第一实施例的一个示例。在该示例中，单个固体结构通过蚀刻与周围的接地隔离，并且其中单个固体结构在其内具有离子注入物。离子注入物产生非导电的半导体材料区域，并且这些非导电区域迫使电流流过激光区域2。因此，离子注入物形成多个激光区域2的激光网格，其中电流被限制到结构中与非导电离子注入区域相比存在导电性的隔离区域。导电区域和非导电区域形成光网格，该光网格具有在单个固体结构上的用于有源正(P)接触的单个金属触点，并且具有在周围接地结构上的单个负极(N)触点，该周围接地结构在隔离两个区域的沟槽的底部处短接到N接触区域，或者短接到周围接地结构上的负极金属，周围接地结构在隔离两个区域的沟槽的底部处短接到N接触区域(例如，如在图7C中的那样，参见参考号781和782)。然后将这些P和N触点结合到高速电触点，从而使激光网格能够实现高频操作。

尽管图1示出了设置成网格图案的激光区域2，但是应该理解，可以形成许多形状和图案的激光区域2。这允许具有激光区域2的形状/图案的许多形式的结构，诸如，蜂窝结构图案(例如，参见图23，图23图示了作为许多所允许的不同激光器形状或图案之一的另一个图案；存在可以用于蚀刻或者注入以留下与非导电区域42相比的单台面结构中激光器的导电区域41的许多图案)以及更加刚性同时改善结合的其它结构图案。仍然可以通过用高热导率材料在孔中沉积材料，来完成热量去除，孔被蚀刻到单台面结构中，以产生更靠近结(junction)的多个激光器(例如，参见图7中的孔7005)。附加结构图案的示例可以包括如同线上的正方形或者圆形等那样的布置。

图1示出了激光器芯片的外延侧的俯视图。单个激光发射外延结构1具有离子注入区域，除了离子注入物被遮掩的激光区域2(其在图1中示出为盘状物)之外。因此图1表示注入和蚀刻后的芯片。相对于具有多个外延台面(其中每个台面与单个激光区域相对应)的美国专利申请公开2011/0176567的现有设计，图1的设计示出了单个连续结构1，其不具有多个台面并且可以替代地以单台面为特征，其中该单台面包括多个激光区域2。图1的图示意在示出单台面结构，而不是电触点。根据设计和与P镜相比N镜上的反射系数，这种结构1可以是底部发射或者顶部发射的。

图1示出了：

1：会产生多个激光点的单个有源台面结构

2：注入被遮掩使得注入无法影响到遮掩下的外延区域的区域

3：将单个有源台面结构与单个接地结构分离的蚀刻隔离沟槽

4：单个接地结构

图2是图1所示的激光器芯片的剖视图，其中，图1所示的单个有源台面结构1在图2中被编号为11，并且其中，图1所示的遮掩的注入区域2在图2中被编号为12。图2表示注入和蚀刻后的芯片，但是没有顶部金属。蚀刻区域13将单台面结构12与“框架”或者N台面14(其中来自图1的单个接地结构4在图2中被示出为框架/N台面14)隔离。图2示出了：

11：隔离多个激光点的单个有源台面结构的注入区域

12：会产生激光的被遮掩以免受注入的外延区域

13：将单个有源台面结构11与单个接地结构14分离的蚀刻隔离沟槽

14：单个接地结构

15：顶部P镜与底部N镜之间的量子阱——这是发射光子的有源区域

16：N镜，其具有用于N金属电接触位置的N接触层或者高度掺杂层

17：激光器基板

图3是图1和2所示的芯片的透视图。注入区域是不可见的。未示出金属触点。这个图示是为了示出单台面蚀刻的拓扑，其可以用于顶部发射或者底部发射注入装置。注入处理可以发生在顶部金属或蚀刻之前或者之后。

图4示出了示例顶部发射VCSEL网格结构的外延侧的俯视图。该视图穿过顶部电波导中的方孔，该顶部电波导通过焊接处理被结合到激光器芯片。隔离蚀刻区域在该视图中被电波导隐藏。该图示上的圆盘是单个固体台面结构之上的顶部金属触点或者电镀金属接触区域中的孔。图4示出了：

41：下面具有波导的基板中的孔

42：顶部P金属中的孔，所以激光束可以通过该孔发射

43：波导基板的顶部

44：激光器芯片上的顶部散布金属

图5图示了图4所示的结合的电波导和激光器芯片的剖视图。打开电波导的信号触点，以使光束通过开口传播。该实施例的另一个选择将是：具有用于波导的透明或者透射性基板材料，而不是用于激光传播通过的孔。诸如CVD(化学气相沉积)金刚石或者蓝宝石或者玻璃的透明材料可以是该材料的示例。该图示出了具有不透明基板(诸如，AlNi)并且因此需要孔或者开口的实施例。注意，隔离区域将单台面结构与短接到地的单个台面接地或者结构或者“框架”结构分离。

这些P和N触点被结合到高速电触点(还参见图7B，参考号751至754)。地-信号-地(GSG)电波导基板和激光器芯片被对准(参见图14B)，使得负极台面被结合到波导的负极部分，并且发出激光的正极有源区域与信号焊盘对准。这种对准由结合器限定，然后施加热量和压力来结合已经沉积在一个芯片或者另一个芯片上的焊料(参见图15)。由于通过电镀和焊料高度来将p焊盘与n晶片接地分离(但是主要是通过将其从激光器基板移除并且将其放置在电波导基板上)，所以产生了这种接触的高速性质。这种物理分离显著地降低了电容，从而增加了频率响应(其中频率响应受电路的电容限制)并且产生了激光网格的高频操作。

在示例实施例中，针对高速操作，表面连接至外延设计底部的电触点，这通过单个结构(例如，参见图7A，参考号717)周围的隔离沟槽(例如，参见图7A，参考号702)来实现。该结构不是基于台面拓扑，而是通过金属镀层(诸如图7C中的参考号782)简单短接到N接触金属(参见图7A，参考号703)的电区域。这不是在美国专利申请公开2011/0176567中描述的建立结构或者凸起结构，而是使用芯片表面和外延材料作为用于结合的表面，这也使装置在结合处更加稳定和稳健。

返回到图5，GSG信号焊盘51具有焊料52，焊料52电连接至有源单台面结构的顶部上的P接触金属。这允许信号或者电流被注入到金属接触结构中(在金属接触结构中具有用于激光传播的孔)，然后电流流过外延结构的非注入区域，迫使电流仅被限制于那些限定的区域。顶部P镜区域具有比底部N镜稍低的反射系数，使得光从外延结构的顶部发射。电流流过量子阱(这在那里的结中产生光和热量)，并且进入到n镜中，在n镜处，电流继续行进到n镜中或者n镜附近的N接触区域。电流然后会向上继续行进到短接的框架结构，短接的框架结构结合到并且电接触GSG电波导的接地部分。利用顶部发射设计的这种结构可以用于低于GaAs或者激光器基板材料的透射截止的较低的波长输出设计。背面发射结构通常仅可以设计用于大于～905nm的波长。由于外延材料设置的限制，所以这种顶部发射结构可以与～850nm或者更低的波长一起使用。

单个固体结构利用蚀刻来与周围的接地隔离，其中，单个固体结构在其内具有离子注入物；注入物是不可见的，但是由于它造成的晶体损坏，而造成半导体材料非导电。为了制造注入器件，你首先必须遮掩要被保护以免受损坏的区域。

利用通过光刻处理定位的光阻剂来形成小台面，光阻剂保护外延材料免受损坏，然后在注入发生后被洗掉。注入发生在离子注入机器中，该离子注入机器沿着管子将离子加速，并且你将晶片放到离子流的前面。

注入的离子可以创建非导电的半导体材料区域。这些非导电材料区域将迫使电流流过激光区域。如下文结合实施例2描述的，这些非导电区域还可以通过蚀刻类似于图1的图案并且氧化单个结构来创建。图5示出了：

50：非导电电波导基板

51：电波导的信号金属

52：用于将电波导与激光器芯片结合的焊料金属

53：短接到P接触层并且电连接至GSG电波导的信号焊盘的电镀金属

54：P输出镜——衍射布拉格反射器

55：有源区域——量子阱

56：低电阻接触层所位于的N镜

57：短接到接地台面、并且短接到N接触层或者与N接触层电接触的电镀金属

58：与高速电波导的接地焊盘电接触并且与接地台面结构电接触的焊料

59：与单台面结构上的P金属连接的电镀金属上的区域，以用于接触高速电波导上的信号焊盘

图24示出了诸如实施例1的实施例和美国专利申请公开2011/0176567所教导的设计之间的不同电流流动的比较视图。利用美国专利申请公开2011/0176567，每个台面都由N金属接触区域包围。这占用芯片上的宝贵的空间或者有效面积，作为限定出每个台面周围的那些步度金属n触点的处理需要光刻，这限制了你可以多么紧密地将台面间隔在一起。与新方法相比，这些限制导致每单位面积的功率输出更低。因此，这种旧设备的目标是针对最高功率和速度的阵列，但是未考虑到功率/面积的巨大改善，这也将是具有最高速度的最高功率的最终目标的改善。而且，由于旧方法的结构限制而必须大的这种旧方法的N触点已经利用新的单个结构而被移除了。

利用本文描述的新设计，单个结构在其上具有多个激光器，并且在该单个结构周围仅具有一个触点。新结构减少了到结构外的该N金属区域，使每个光元件的区域小得多。这涉及被计算以承载单个结构的电流负载的大的N接触层。通过较厚的金属和/或较厚的N接触区域，可以实现来自单个触点的较高电流流动。

实施例2-底部发射注入

图6示出了第二实施例的一个示例的剖面图，其中，第二实施例是具有用于电流限制的注入区域的底部发射装置。可以看到，GSG电波导被焊接结合到框架接地结构和有源单激光器台面结构。图6示出了：

601：电波导基板

602：GSG电波导的按照那个顺序的接地触点和信号触点

603：焊料——将GSG波导结合到激光器芯片

604：将电波导的信号焊盘电连接至激光器P触点的电镀金属

605：P接触金属

606：已经被使得非导电的注入区域

607：P镜

608：有源区域(量子阱)

609：N镜

610：注入物未到达的N镜中的导电层

611：通过激光器基板传播的激光束

612：短接到N接触区域的电镀金属

613：短接到N接触区域的框架区域

614：使激光器上的N触点与电波导上的接地电接触的焊料

615：将大的单台面与接地框架隔离的蚀刻区域

用于实施例1和2的处理

创建具有注入电流限制的实施例1和2的单个结构的处理步骤的示例实施例可以如下。

步骤1：使用光刻来遮掩不会有P金属沉积的区域。

步骤2：沉积P金属(通常为TiPtAu～2000A)。

步骤3：光刻提离和晶片清洁。对所有有机物进行O2除渣或者灰化以离开晶片。

步骤4：电介质沉积(通常为SiNx～<1000A)来用作蚀刻掩模。

步骤5：使用沉积在区域中的光阻剂或者金属来进行光刻遮掩，以保护外延材料免受注入的损坏，注入通过离子轰击而使未保护区域非导电。该步骤可以稍后在处理中执行，但是由于变化更多的拓扑可能更加困难。

步骤6：注入——计算注入剂量的本领域的技术人员将确定将材料结构破坏到将p区域与量子阱彼此隔离的深度所需的注入物的剂量和物种。

步骤7：由于注入，所以清洁这种光刻是困难的，并且在光刻之上沉积金属(诸如，电镀)可以帮助使得更容易清除抗蚀剂。

步骤8：使用光刻来遮掩不会被蚀刻的电介质区域。这是作为掩模设计的独特部分，该掩模设计沿着限定出电流无法流动的位置的该结构内的注入物而创建大的隔离结构。

步骤9：使用等离子体蚀刻来通过电介质蚀刻(通常为基于Fl的蚀刻剂)可以使用湿法蚀刻，诸如，BOE(缓冲氧化物蚀刻)。

步骤10：将图案蚀刻到激光器或者发光二极管外延材料中。停在基板或者掺杂的电接触层上。这将单个大结构与芯片周围的N短接区域隔离。

步骤11：清除掩模。对所有有机物进行O2除渣或者灰化以离开晶片。

步骤12：使用光刻来遮掩不会有N金属沉积的区域。

步骤13：沉积N金属(通常是按原子量计80％Au/20％Ge的GeAu/Ni/Au共晶成分)。AuGe层的总厚度为～3000A或者更多，具有～200A Ni或者更多的其它扩散屏障金属以及～5000A Au或者更多。n金属沉积在n接触蚀刻区域中并且也在将结构短接到n触点的N接触结构之上，这也是独特的。

步骤14：清除掩模(通常称为提离)。对所有有机物进行O2除渣或者灰化以离开晶片。

步骤15：电介质沉积(通常为SiNx～2000A)，用作非导电隔离屏障。

步骤16：使用光刻来遮掩不会被蚀刻的电介质区域。

步骤17：使用等离子体蚀刻来通过电介质蚀刻(通常为基于Fl的蚀刻剂)可以使用湿法蚀刻，诸如，BOE(缓冲氧化物蚀刻)。

步骤18：清除掩模。对所有有机物进行O2除渣或者灰化以离开晶片。

步骤19：使用光刻来遮掩不会有电镀金属沉积的区域。

步骤20：如果可以首先沉积扩散屏障，则电镀区域具有～4-5um的金属(通常为Au)或者Cu。

步骤21：使用光刻来遮掩不会有焊料沉积的区域。

步骤22：沉积焊料金属(通常是按原子量计80％Au/20％Sn的AuSn/Au共晶成分)。AuSn层的总厚度为～40000A(4微米)或者更多，在顶部具有～500A Au以阻止Sn的任何氧化。可以将该层图案化并且沉积在基台上，基台具有结合到激光网格的电波导。

实施例3-顶部发射氧化

在第三实施例中，使用氧化而不是离子注入来在单个结构内创建顶部发射激光区域的网格。例如，图案化蚀刻可以将单个结构中的导电路径隔离，从而创建光源的网格。该结构呈现出来自单个结构的多个激光发射点。利用蚀刻区域来将激光结构与接地触点隔离，接地触点形成芯片的外部周界。实施例3的该结构是顶部发射的。网格的导电区域是会发光的地方。正极电触点可以是具有发光的开口的网格。

激光器晶片的外延材料可以是VCSEL设计，并且大多数VCSEL是顶部发射的。使用p型波导焊盘的信号分布通常在激光器晶片上，但是应该理解，在具有背面发射设计的氧化的单个结构实施例中，波导可以在与激光器n材料或者层分离的独立基板上。

示出了实施例3的一个示例的图7图示了蚀刻到晶片中以创建允许多点激光的单个结构的示例图案。与美国专利申请公开2011/0176567所教导的由易碎晶体材料制成的薄柱体相比，诸如图7所示的实施例的单个结构更加刚性。而且，如关于上文讨论的实施例所解释的，应该理解，如果从业者需要，则可以采用除了图7所示的图案之外的激光区域的图案。

在图7中，对角条纹区域优选地被向下蚀刻，以在隔离沟槽的中间创建图案化的单台面结构。所有对角条纹区域都优选地被向下蚀刻到图7A中的底部N导电层705，或者通常，较大的隔离沟槽会被蚀刻到隐埋在外延设计中的电触点，而较小的图案化蚀刻区域必须比隔离激光点的有源区域更深。隔离沟槽中间的图案化结构是单个结构，其中“成形的”孔被蚀刻到该单个结构中。

在这种情况下，大的单台面中的孔是大的。这些孔使氧化处理环境氧化外延区域中的层。一个或多个氧化层具有高的铝含量并且形成AlO₂，AlO₂横向生长穿过该层，直到脱离氧化处理。白色区域是芯片的表面，虚线是氧化将电流流动限制于仅未氧化区域的地方。在这种情况下，大的单台面中的孔是大的。这些孔使氧化处理环境氧化外延区域中的层。可以通过使用隐埋在表面下面的外延设计结构中的高Al含量层来形成氧化层。蚀刻区域暴露该层，然后将该层放置在氧化室中，使暴露的层向内氧化，其中，AlO₂横向生长穿过该层，直到脱离氧化处理。随着氧化长度在该薄层中增长，它利用在氧化处理期间形成的电介质材料AlO₂来隔离或者封锁电流路径。如果区域7005被蚀刻，那么氧化会继续增长，直到仅区域7008是导电的并且外延层的区域或者部分传导电流通过该区段。导电区域使电流流过量子阱(参见图7A的参考号707)，并且在光陷入p镜709与N镜706之间的腔中时产生激光。

氧化长度可以在图7中看作虚线，全部距离大的单个结构中的孔或者任何一个暴露的边缘大致相同的距离，该大的单个结构具有形成在其中的孔。图7还示出了大的单台面接地结构。图示了横截面的三个视图以标识图7A、7B、和7C所在的地方。注意图7B，通过该横截面，图7B清晰地示出了在中心的台面是单个结构。

图7示出了：

7001：用于与电波导的接地电接触的框架(单个短路台面)

7002：将大的单台面与接地框架隔离的蚀刻区域

7003：具有蚀刻孔的单台面结构

7004：保持单台面结构的边缘氧化且非导电的边缘中的凹口

7005：单台面结构中的蚀刻孔

7006：任何蚀刻边缘周围的氧化图案

7007：不允许电流流动的重叠氧化区域

7008：电流自由流动的激光器孔隙(与图7B中的761相同)

7009：减小从接地到电波导上的信号焊盘的电容的短路台面结构中的间隙

图7A、7A2和7B是示例图7实施例的侧视图。

图7A2示出了允许氧化731形成的蚀刻孔727，其将电流限制到图7B的区域761中，以形成激光束763。

图7A中的参考号706是具有一个或多个层的p镜衍射布拉格反射器(DBR)，在这一个或多个层中具有非常高的铝含量708，其当暴露于热潮湿条件时氧化708，从而将电流限制到图7B所示的激光束出现的区域761。N镜DBR 709具有导电层705以使电流通过N金属欧姆触点703流到镀层782(参见图7C)，该镀层782在单个接地台面结构718(参见图7A)之上上升到焊料717并且电连接至GSG波导716上的N镀层并且进入到波导的N触点715中。

电流限制是半导体激光器的主要部分。概念是迫使电流从结构的边缘流走，所以没有电流接近可能因蚀刻而存在的粗糙表面状态流动的问题。电流流动也理想地集中，以通过增大材料中的电流密度来创建激光。通过使Al的高集中层暴露于由钻孔实现的氧化处理中的热潮湿条件的氧化(例如，该实施例3)，或者通过使所有其它区域非导电的注入(例如，参见实施例1和2)，发生电流限制。

图7A示出了：

701：电波导基板

702：将大的单台面与接地框架隔离的蚀刻区域

703：与N接触层电接触的N金属触点

704：N镜

705：N镜中的N接触层(用于欧姆接触的低电阻)

706：N接触区域上面的N镜

707：有源区域(量子阱)

708：封锁这些区域中的电流的氧化层

709：P镜

710：电介质层

711：P接触金属的顶部上的镀层

712：用于激光束出口的P接触金属和电镀金属中的孔隙

713：电波导基板

714：GSG电波导的接地触点

715：GSG电波导的信号触点

716：焊料——将GSG波导结合到激光器芯片

717：焊料——将GSG波导结合到激光器芯片

718：电连接至激光器芯片的N接触区域的框架结构

图7A2是上文图7A的继续，并且它进一步示出了：

721：GSG电波导的接地触点

722：GSG电波导的接地触点上的镀层

723：焊料——将GSG波导结合到激光器芯片

724：GSG电波导的信号触点

725：焊料——将GSG波导结合到激光器芯片

726：GSG电波导的信号触点上的镀层

727：允许氧化以形成电流限制孔隙的单台面基板中的蚀刻孔区域

728：P接触金属的顶部上的镀层

729：用于从镀层到激光器单台面结构上的P接触层的电接触的电介质层中的开口

730：电介质层

731：靠近蚀刻孔区域的封锁电流的氧化层

图7B是图7的剖面图，其还示出了图7中未示出的电连接和电波导。图7B图示了穿过由氧化层创建的孔隙的横截面。氧化层通过图7A中图示的单个结构中的孔暴露于氧化处理。该视图还示出了有源台面结构的确是单台面结构。图7B描绘了：

751：GSG电波导的接地触点

752：GSG电波导的接地触点上的镀层

753：焊料——将GSG波导的接地结合到激光器芯片

754：GSG电波导的信号触点

755：GSG电波导的信号触点上的镀层

756：激光器芯片上的P接触金属

757：在激光器孔隙之上的P接触金属和镀层中的开口

758：P接触金属上的镀层

759：焊料——将GSG波导的信号结合到激光器芯片

760：保护有源台面结构远离N触点的电介质层

761：通过氧化层中的开口形成的电流限制孔隙

762：氧化层电介质

763：通过金属开口传播的激光束

图7C是区域的横截面图，其中GSG波导的P触点或者信号位于激光器芯片下方，其中接地到激光器的N触点的N触点框架或者单个结构台面在GSG电波导上方。激光器接地与P信号焊盘之间的大间隙减小了电路的电容，从而实现更高频操作。图7C描绘了：

780电介质层

781：N型欧姆接触金属

782：将N金属触点短接到单个接地台面结构的镀层

784：在外延生长中的N接触层

785：与电波导上的信号焊盘电接触的镀层

786：GSG电波导上的金属信号焊盘引线

787：GSG电波导的接地焊盘上的镀层

788：电波导基板

789：导电信号焊盘结构与N接触层之间的间隙减小电容

用于实施例3的处理

利用氧化电流限制来创建实施例3的单个结构的处理步骤的示例实施例可以如下。

步骤1：使用光刻来遮掩不会有P金属沉积的区域。

步骤2：沉积P金属(通常为TiPtAu～2000A)。

步骤3：光刻提离和晶片清洁。对所有有机物进行O2除渣或者灰化以离开晶片。

步骤4：电介质沉积(通常SiNx～<1000A)，用作蚀刻掩模。

步骤5：使用光刻来遮掩不会被蚀刻的电介质区域。

步骤6：使用等离子体蚀刻来通过电介质蚀刻(通常为基于Fl的蚀刻剂)可以使用湿法蚀刻，诸如，BOE(缓冲氧化物蚀刻)。

步骤7：将图案蚀刻到激光器或者发光二极管外延材料中。停在基板或者掺杂的电接触层上。通常，该蚀刻是基于Cl的，其中具有一定(高百分比)量的BCl3。

步骤8：清除掩模。对所有有机物进行O2除渣或者灰化以离开晶片。

步骤9：使用光刻来遮掩不会有N金属沉积的区域。

步骤10：沉积N金属(通常是按原子量计80％Au/20％Ge的GeAu/Ni/Au共晶成分)。AuGe层的总厚度为～3000A或者更多，具有～200A Ni或者更多的其它扩散屏障金属，以及～5000A的Au或者更多。

步骤11：清除掩模(通常称为提离)。对所有有机物进行O2除渣或者灰化以离开晶片。

步骤12：电介质沉积(通常为SiNx～2000A)，用作非导电隔离屏障。

步骤13：使用光刻来遮掩不会被蚀刻的电介质区域。

步骤14：使用等离子体蚀刻来通过电介质蚀刻(通常为基于Fl的蚀刻剂)可以使用湿法蚀刻，诸如，BOE(缓冲氧化物蚀刻)。

步骤15：清除掩模。对所有有机物进行O2除渣或者灰化以离开晶片。

步骤16：使用光刻来遮掩不会有电镀金属沉积的区域。

步骤17：如果可以首先沉积扩散屏障，则电镀区域具有～4-5um的金属(通常为Au)或者Cu。

步骤18：使用光刻来遮掩不会有焊料沉积的区域。

步骤19：沉积焊料金属(通常是按原子量计80％Au/20％Sn的AuSn/Au共晶成分)。AuSn层的总厚度为～40,000A(4微米)或者更多，在顶部具有～500A Au以阻止Sn的任何氧化。可以将该层图案化并且沉积在基台上，基台具有结合到激光网格的电波导。

步骤20：利用劈裂(cleaving)或者切割来将激光器芯片与晶片分离。

步骤21：设计并且制造电波导，以利用允许高频操作的设计与激光器芯片对准。

步骤22：将激光器芯片与基台电波导对准并且倒装结合。

实施例4-底部发射氧化

在第四实施例中，具有多个激光区域的氧化的单个结构被设计为底部发射器，而不是顶部发射器。图8至图14C提供了关于实施例4的细节，并且图示了可以用于进行该实施例的处理。激光网格的光通过基板发射，从而形成背面发射器。

光通过大约900nm或者更大的波长在GaAs中透射。如果在外延设计中设计的光的波长在～900nm及以上的范围内，则GaAs基板透射光或者对光来说是透明的。如果外延设计包括比P镜反射性小的N镜，则诸如VCSEL的激光器可以通过基板从N镜发射光。激光束将通过材料传播，并且基板可以是准直、散布、发散、会聚或者引导光的光学部件的平台。这使得能够形成具有极高亮度功率的集成光学电路。然后可以将单个结构和接地触点集成到高速电波导基板，从而实现来自整个网格的高频响应。地信号地电波导对于该高速电波导来说是理想的。可以使用的另一类型的电波导是微带波导(参见图15)，其中，通过基板上的薄电介质层来将信号焊盘与接地焊盘分离。

图8是典型外延设计的图示。任何高速设计可以用于VCSEL装置。图8示出了：

81：GaAs基板

82：低电阻接触层的可能位置

83：接触区域之后的N镜层

84：低电阻N接触区域

85：量子阱之后的N镜层

86：量子阱区域

87：氧化层

88：P镜

89：低电阻P接触层

图9是作为P金属沉积执行的第一处理的图示。这通常是在高度P掺杂接触层的顶部上形成欧姆接触的Ti/Pt/Au层。图9示出了：

91：在退火处理之后形成欧姆接触的P金属

92：低电阻P接触层

图10是将外延层向下蚀刻到N接触层的俯视图。图10示出了：

1001：到N接触层的蚀刻区域

1002：单台面接地结构

1003：单台面有源结构

1004：使氧化处理形成孔隙的蚀刻孔

1005：不存在形成导电电流限制的氧化的所有孔之间的区域

图10A是在氧化处理之前形成的图10的横截面图A，并且图10A2是在氧化处理之后形成的图10的横截面图A。图10A2示出了：

120：完全封锁在氧化处理期间暴露的任何蚀刻区域附近的导电路径的氧化

图10B是图示了在所示的区域中形成电流限制孔隙的图10的横截面图B。该视图表示没有孔穿透横截面的单台面的区段，并且清晰地示出了台面结构是实现在结合处理中优选的更稳健的结构的单台面结构。图10B示出了：

125：电流限制孔隙是单台面结构的导电区域

126：在蚀刻孔的位置附近形成为电介质层的氧化层

127：P金属接触层

图11图示了电介质层，电介质层经由用于电接触外延接触层的“孔”而被沉积且图案化有开口，并且出于可靠性目的密封半导体。图11示出了：

1101：利用开口或者“过孔”图案化的电介质层

1102：电介质层中到P接触金属的开口

1103：单台面接地结构上的接触层

图12示出了其已经被沉积之后的N金属触点。图12描绘了：

1201：N接触金属经由孔沉积在N触点之上，以电连接至N接触层。

图13图示了将N接触区域短接到单个接地框架区域的顶部的电镀金属的下一步骤，该单个接地框架区域将结合并且导电至GSG波导的接地焊盘。电镀还增加有源区域的高度，从而减少电容，并且它从装置的有源区域去除热量，以给予装置更好的性能。通过电介质层将有源单个结构之上的镀层与N镜和N接触区域隔离。图13示出了：

1301：防止镀层覆盖有源区域并且延伸到单台面结构的孔中的电介质层

1302：覆盖通过N接触金属短接到N接触区域的单个接地台面结构的镀层

1303：覆盖有源结构并且延伸到有源区域的孔中的镀层，其中可以通过电镀金属的更高的热导率发生冷却

1304：在单个框架结构之上延伸的电镀金属，以用于结合和电连接至GSG电波导的接地

图14a图示了沉积在激光器芯片上的焊料。这充当激光器芯片与高速电波导之间的导电结合粘合层。图14a示出了：

1401：焊料沉积

图14b图示了在结合之前GSG电波导的对准。图14b示出了：

1403：用于GSG高速电波导的基台

1404：用于GSG高速电波导的接地焊盘

1405：用于GSG高速电波导的信号焊盘

1406：沉积在GSG高速电波导的导电区域上的电镀金属

图14C图示了结合到GSG电波导的激光器芯片。单个接地台面中的间隙通过减小电容来实现高速操作。

实施例5

在第五实施例中，使用微带或者带线电波导，而不是GSG波导，如图15所示。该实施例还可以具有上文在图14c中提到的间隙。这种电波导也可以通过薄电介质下方的接地层来形成，该薄电介质具有在电介质的顶部上形成带线或者微带波导的信号引线。电介质中的开口可以用于接触激光网格的接地部分。可以控制线的宽度和电介质的厚度，来为电路匹配特性产生特定阻抗值。应该理解，这种技术还可以用于其它实施例，诸如，实施例2或者下文讨论的任何实施例。图15中的视图示出了跨有源单台面结构的横截面：

151：波导基板

152：跨整个波导的金属接地焊盘

153：将接地与信号焊盘分离的电介质层

154：金属信号焊盘

155：信号焊盘上的金属镀层

156：将信号焊盘电连接至单个有源台面的焊料，单个有源台面这里被示出为具有蚀刻到其中的孔或者间隙

157：接地焊盘上的金属镀层

158：将接地焊盘电连接至单个接地台面的焊料

实施例6

图16示出了第六实施例。在图16中，结构是独特的，因为它留下路径以用于每个激光点的光的一部分被引导到它旁边的另一激光，以便保持激光同相。在该示例中，激光161使其一些外模结构被向下反射162到它旁边的激光孔隙163，激光孔隙163产生与162同相的光。同相的激光是164，并且转而从有角度的反射面165反射回它旁边的激光孔隙167，激光孔隙167也与164和161同相，以此类推。仅在透镜或者输出区域外部的有角度和/或反射区域164可以将从透镜或者输出直径溢出的小部分光转移到邻近它的激光网格，实现相干的激光网格。来自相邻激光点的一些光被注入到激光点中，这建立彼此成相位关系的激光点。当结构将一些光从每个激光器引导到它的相邻激光器时，这允许所有激光点的相干操作。光学建模领域中的技术人员非常精确地计算反射系数、距离和角度。相干操作是一个益处，其困扰激光器阵列操作多年。图16示出了：

161：具有仅发射光的一部分的宽散度的大孔隙激光

162：来自激光161的光的一部分被反射到孔隙163

163：反射系数符合来自162的光的相位的激光孔隙

164：具有仅发射光的一部分的宽散度的大孔隙激光

165：仅在输出孔隙外部的激光器芯片的背面上的有角度的反射面

166：与激光网格164同相的反射光束

167：具有仅发射光的一部分的宽散度的大孔隙激光

实施例7

图17示出了第七实施例。在图17中，激光网格芯片的背侧面具有蚀刻图案以将激光器的光172改向到特别有益的区域。这是通过衍射光学元件(DOE)171完成的，衍射光学元件171具有蚀刻的表面，使得当光行进穿过该部分时，取决于DOE的表面的角度，表面的角度使光束或者光改向175。这可以用于准直或者发散、引导或者均化光。图17未图示电波导。可以通过孔隙大小以及反射面173和174的特性来控制模式。图17示出了：

171：从光束172改向的激光网格光束

172：从孔隙发射的激光网格光束

173：用于背面发射激光网格的镜的背面和触点

174：用于背面发射激光网格的镜的背面和触点

175：来自激光网格的改向的光束

实施例8

图18示出了第八实施例。在图18中，图案化的衍射光栅184(这是与图17的DOE相反的角度图案)被放置或者蚀刻在发射点181之上、在背面发射VCSEL设计中的激光器晶片的背侧面上，该背面发射VCSEL设计向外引导185来自网格的激光点。从透镜看起来像所有激光都来自芯片后面的单个点186，以形成虚拟点源，其中微距透镜187可以用于准直来自芯片后面的虚拟会聚源的光束。图18示出了：

181：用于背面发射激光网格的镜的背面和触点

182：创建激光特性的孔隙

183：来自激光网格的激光束

184：针对特定总光束网格特性成角度的衍射光学元件(DOE)的表面

185：来自激光网格的改向的光束

186：如从透镜187看到的来自所有光束的会聚虚拟光源

187：焦点在虚拟会聚点186上的微距透镜

实施例9

图19示出了第九实施例。图19图示了结合的蚀刻且氧化的实施例3的横截面，除了它具有微透镜之外，微透镜已经被处理在激光器芯片的背面上，并且被定位为使得一个与另一个对准并且一个故意地稍微未对准以便使从单台面结构发射的激光束改向。尽管实施例3被参考用于该布置，但是应该理解，可以使用上文的背面发射实施例中的任何实施例和附接到芯片或者定位在输出网格上面的微透镜阵列。微透镜阵列可以具有与光传导网格点的节距相关的值，但是具有节距略微不同的透镜74，迫使由激光点发射的光被引导到单个区域，在该单个区域处，光束聚集在一起或者看起来像它们一起聚集在芯片的前面或者芯片的后面，好像在虚拟点源中。如果微透镜节距小于激光器节距，则它会将外面的激光引导到芯片前面的点或者向内引导。如果微透镜阵列节距大于激光器的网格的节距，则光会被向外引导，如图19中那样。图19示出了：

71：激光器基板

72：N镜

73：N接触区域

74：稍微偏离激光器的微透镜，从而将激光向外引导

75：有源区域或者量子阱

76：将电流限制创建到有源区域中的氧化层

77：蚀刻沟槽，创建单个接地结构与有源单台面结构的隔离

78：P金属触点

79：蚀刻到单台面结构中以允许氧化发生的孔

80：电连接激光器芯片和高速电波导的焊料

81：GSG电波导的信号焊盘

82：P镜

83：GSG波导基板

84：短接位于N接触层上的N金属和与GSG电波导的接地焊盘电接触的单个接地台面的镀层

85：GSG电波导的接地焊盘

实施例10

图20示出了第十实施例。图20图示了：可以通过将N外延输出镜230的反射系数减小到它不会发出激光的点，然后增加激光网格的背面上的反射面231的反射系数(这使腔扩展)，来使用单网格结构实施扩展腔激光器设计。该结构减少了腔中高模结构233的反馈，从而为来自网格的输出光束235形成更基本的模结构。图20示出了：

230：指向不完整的N输出镜外延区域的箭头

231：由具有变化折射率的电介质层构成的反射区域

232：激光束的腔现在包括扩展腔以用于模态抑制的激光器晶片材料。

233：未被反射回到腔中的反射的高阶模

234：腔中的单模或者低阶模

235：从扩展腔器件输出的单模或者低阶模

实施例11

图21示出了第十一实施例。在图21中，VCSEL结构可以适于如同上文实施例那样的激光网格设计，并且激光网格的输出反射器(被沉积在透镜形状241的顶部上)发射光处的激光芯片的背面可以在反射器之下具有凸形特征241或者凹形特征以更好地形成抑制高模的聚焦的(聚焦箭头243)反馈机制，并且可以设计为具有来自每个网格区域的单模激光输出245。整体激光结构然后将具有低的M2值。可以添加透镜或者微透镜以准直输出。图21示出了：

240：指向不完整的N输出镜外延区域的箭头

241：由具有变化折射率的、被沉积在蚀刻到激光器基板或者晶片中的微透镜结构的顶部上的电介质层构成的反射区域

242：在扩展腔内被反射的单模光束

243：从芯片表面上的光学元件被引导回单模腔中的来自边缘的光

244：比起图20的单模光束，单模光束具有更大的功率，并且对于单模更具选择性

245：高质量单模光束的输出

246：高度反射外延镜

实施例12

图22示出了第十二实施例。在图22中，VCSEL结构可以适于如同上文实施例那样的激光网格设计，除了直接离开透镜的光束穿过外部微透镜阵列，外部微透镜阵列已经设计有与激光器节距不同的节距的微透镜，以允许对去往或来自单个位置的光束的改向，如同上文实施例中的许多实施例那样。该技术的其它形式可以使用在外部透镜阵列的底部上形成的凹透镜，其被对准并且具有与激光网格相同的节距，同时具有与激光网格不同的节距的凸形激光器阵列位于顶部。引导光束的另一种技术将是使用DOE作为顶部光学元件，以代替在外部透镜阵列的顶部上的凸形微透镜。252是反射回孔隙的中心中的光，形成更强的单模光束，而253具有使激光器输出镜腔完整的反射涂层。254是腔并且将具有沉积在外部透镜腔内侧上的抗反射涂层，同时还将抗反射涂层沉积在顶部微透镜阵列上。另一种技术将是使用诸如图20中的平坦反射性质来使腔镜完整，并且具有在顶部上偏移的微透镜阵列或者顶部上的DOE以改向光束。图22示出了：

250：指向不完整的N输出镜外延区域的箭头

251：在扩展腔内被反射的单模光束

252：从芯片表面上的光学元件被引导回创建坚固的单模腔的中心中的来自边缘的光

253：由具有变化折射率的、被沉积在蚀刻到激光器基板或者晶片中的微透镜结构的顶部上的电介质层构成的反射区域

254：使蚀刻透镜不触碰外部透镜阵列的腔

255：外部透镜阵列透射材料

256：由扩展腔激光器输出的单模光束

257：引导光束的、具有与激光器节距不同的节距的、来自透镜阵列的微透镜

258：被引导的单模光束

尽管上文已经联系示例实施例描述了本发明，但是可以对其进行各种修改，这仍然落入本发明的范围内，如本领域的普通技术人员会认识到的。在查阅本文的教导后，对本发明的这些修改将会是可认识到的。因此，本发明的全部范围仅由随附权利要求书及其合法等同物来限定。