半导体激光器和用于使半导体激光器平坦化的方法与流程

本申请要求于2016年5月20日提交的美国临时专利申请第62/339,581号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

本公开内容一般地涉及半导体，更具体地涉及半导体激光器和用于使半导体激光器平坦化的方法。

背景技术：

通常通过在半导体基底表面上使用金属有机化学气相沉积(mocvd)或分子束外延(mbe)沉积在晶片上外延沉积多层诸如inp、gaas、gan的半导体材料以及三元或四元半导体材料来在晶片上实现半导体激光器。随后，对晶片施加多个半导体制造步骤以实现激光光学腔，其包括具有小面(facet)和金属电接触部的器件有源区。通常，小面通过对半导体材料进行解理(cleave)或蚀刻来形成。施加电势允许电流流过器件的有源区，这引起光子从小面中发射出来。

在半导体激光二极管的运行期间，在器件的有源区内产生大量的热。通常，在有源区处于较低温度时，激光二极管的性能更好。大多数激光二极管被安装成有源侧向上，其中基底与导热材料例如aln基座接触。或者，具有合适设计的激光二极管可以被安装成有源侧向下以减小有源区与基座之间的热路径。

激光器在光通信系统中起着很大的作用。一些传输速度等于或大于每秒25吉比特，激光器通常需要在高于50℃的温度下运行。通常，有源区越热，半导体激光器的高速性能越差。因此，从有源区散热和排热仍然是实现高速运行、特别是在升高的温度下实现高速运行的重大挑战。

在高的运行频率下，激光电容可以影响能够由半导体激光器获得的性能。因此，可能需要减少在高频下与激光器相关的电容以允许激光器的适当性能。

掩埋式异质结构(buried-heterostructure，bh)法可以用于从激光器的有源区扩散热。这样的方法通常涉及蚀刻穿过有源区并使用mocvd或mbe再生长高热导率的薄膜(例如inp)以产生从有源区至器件金属层的良好热流路径。然而，这种方法存在一些缺点。大多数高性能激光器的有源区包含al。蚀刻穿过具有al含量的有源区通常导致在有源层的侧壁上形成铝氧化物(alo2)。在形成bh激光器所需的再生长之前难以除去铝氧化物。铝氧化物的存在可能导致在再生长过程期间后续层中的缺陷，这可能降低器件性能。此外，后续的再生长增加了成本。以下出版物强调了解决这样的挑战的多种方法：takino等，“improvedregrowthinterfaceofalgainas/inp-buried-heterostructurelasersbyin-situthermalcleaning”，ieeejournalofquantumelectronics，第48卷，第8期，第971-979页，2012年8月；pan等，“theoreticalstudyofthetemperaturedependenceof1.3μmalgainas-inpmultiple-quantum-welllasers”，ieeejournalofquantumelectronics，第32卷，第12期，第2133-2138页，1996年12月；以及美国专利第6,821,801b1号。

鉴于以上，可以理解，可能需要不依赖于昂贵的bh技术的高性能激光器。

技术实现要素：

在一些实施方案中，激光器结构可以包括基底、布置在基底上的有源区、和布置在有源区上的波导。波导可以包括第一表面和第二表面，第一表面和第二表面接合以形成相对于有源区第一角度。激光器结构还可以包括沉积在波导的第一表面和第二表面上的材料。

在一些实施方案中，第一角度可以小于九十度。

在一些实施方案中，波导还可以包括第三表面和第四表面，第三表面和第四表面接合以形成相对于有源区的第二角度。在第三表面和第四表面上可以沉积有材料。

在一些实施方案中，第二角度可以小于九十度。

在一些实施方案中，材料可以为mgo、mgf2、sio2或si3n4之一。

在一些实施方案中，材料的介电常数在最高达50ghz的频率范围内可以低于10。

在一些实施方案中，材料可以为不导电的。

在一些实施方案中，波导可以包括布置在第一表面与第三表面之间的第五表面，并且激光器结构还可以包括布置在第五表面上的第一接触部和布置在基底上的第二接触部。第一接触部可以被配置成通过向激光器结构传递电流来对激光器结构加偏压。

在一些实施方案中，激光器结构还可以包括至少一个小面。

在一些实施方案中，至少一个小面可以形成在有源区中。

在一些实施方案中，激光器结构可以包括基底、布置在基底上的有源区、和布置在有源区上的波导。波导可以包括第一脊和第二脊。第一脊可以形成第一空气间隙，第二脊可以形成第二空气间隙。激光器结构还可以包括金属层，该金属层被布置作为在第一空气间隙和第二空气间隙上的桥。

在一些实施方案中，第一脊可以形成相对于有源区的小于九十度的第一角度，第二脊可以形成相对于有源区的小于九十度的第二角度。

在一些实施方案中，第一接触部可以布置在波导的表面上，并且第一接触部可以被配置成通过向激光器结构传递电流来对激光器结构加偏压。

在一些实施方案中，激光器结构还可以包括至少一个小面。

在一些实施方案中，至少一个小面可以形成在有源区中。

在一些实施方案中，制造激光器结构的方法可以包括：在基底上布置有源区并在有源区上布置波导。波导可以包括第一脊和第二脊。该方法还可以包括：在波导上沉积聚合物使得聚合物涂覆在第一脊和第二脊下面，在聚合物上沉积至少一个抗蚀剂层，在至少一个抗蚀剂层上沉积金属层，以及除去所沉积的聚合物和所沉积的至少一个抗蚀剂层。

在一些实施方案中，第一脊可以形成相对于有源区的小于九十度的第一角度，第二脊可以形成相对于有源区的小于九十度的第二角度。

在一些实施方案中，该方法还可以包括在波导的表面上布置第一接触部。第一接触部可以被配置成通过向激光器结构传递电流来对激光器结构加偏压。

在一些实施方案中，该方法还可以包括在有源区中形成至少一个小面。

在一些实施方案中，至少一个小面可以通过蚀刻来形成。

在一些实施方案中，用于电子束蒸镀的固定装置可以包括被配置成支承激光器结构的晶片板和被配置成以蒸镀温度发出热的集成加热器。由集成加热器发出的热可以是可调节的并且固定装置的角度可以是可调节的。

在一些实施方案中，晶片板还可以被配置成使激光器结构相对于蒸发物取向。

在一些实施方案中，激光器结构的取向可以使激光器结构的至少一个脊经受蒸发物。

在一些实施方案中，激光器结构的取向可以基于激光器结构的至少一个脊的角度而变化。

现在将参照如附图中所示的本公开内容的特定实施方案更详细地描述本公开内容。虽然下面参照特定实施方案描述本公开内容，但是应该理解，本公开内容不限于此。使用本文教导的本领域普通技术人员将认识到，另外的实施方式、修改和实施方案、以及其他的用途领域都在如本文所述的本公开内容的范围内，并且关于它们，本公开内容可以具有重要的实用性。

附图说明

为了帮助更全面地理解本公开内容，现在参照附图，其中相同的元件用相同的标记表示。这些附图不应被解释为限制本公开内容，而是仅旨在说明。

图1示出了根据本公开内容的实施方案的半导体激光器的截面。

图2示出了根据本公开内容的实施方案的另一个半导体激光器的截面。

图3示出了根据本公开内容的实施方案的另一个半导体激光器的截面。

图4示出了根据本公开内容的实施方案的另一个半导体激光器的截面。

图5示出了根据本公开内容的实施方案的被配置成支承半导体结构的可调节固定装置的俯视侧视图。

图6a示出了根据本公开内容的实施方案的可调节固定装置。

图6b示出了根据本公开内容的实施方案的可调节固定装置。

具体实施方式

在下面的描述和附图中描述并强调了本公开内容和相关的优点，附图不一定按比例绘制。省略了对结构和加工技术的详细描述，以便不会不必要地模糊本公开内容。

图1示出了半导体激光器100的截面。激光器100是具有至少一个电接触部的燕尾脊波导激光器结构。激光器100可以包括底层102。底层102可以为金属层，并且可以提供与层104相邻的电接触层。层104可以为n型半导体，并且可以位于层102与有源区106之间。例如，层104可以为inp基底。有源区106可以提供从激光器100中发射光子。层108可以位于与有源区106相邻。层108可以为p型半导体。层108可以包括燕尾脊波导(rwg)116。层110可以位于与层108相邻。层110可以为绝缘层。例如，层110可以为沉积在层108上以覆盖层108的暴露表面的sio2绝缘层。在燕尾rwg116的顶部，可以形成层110中的开口118。顶部金属层112可以沉积在层110上和燕尾rwg116上的在层110中的开口上。顶部金属层112因此可以提供用于通过燕尾rwg116上的层110中的开口在p侧上对器件加偏压的电接触层。可以将接合焊盘114附接至顶部金属层112。如图1所示，可以使用化学辅助离子束蚀刻(chemicallyassistedionbeametch，caibe)在激光器100的由激光器100的x轴和y轴所限定的面上形成蚀刻小面。可以在有源层106中蚀刻小面。也可以使用解理来形成蚀刻小面。

激光器100可以提供高的拓扑度。然而，激光器100可以包括减小的p侧金属覆盖和减小的从有源区106的导热路径。燕尾rwg116可以形成相对于其他脊宽度更小的脊宽度。燕尾rwg116的脊宽度可以被配置成限制光，但是也可以被配置成允许用于p侧金属接触的更大面积以减小接触电阻。

燕尾rwg116可以形成为层108的一部分。rwg116可以包括顶表面和两个侧表面。各个侧表面可以与层108的相对于有源区106的另一个表面形成角度以形成rwg116的脊。各个角可以小于90°。

图2示出了半导体激光器200的截面。激光器200与图1的激光器100相似，因为其同样地包括有源区106以及层102、层104、层108和层110。激光器200还包括燕尾rwg116和开口118。然而，激光器200还包括用于电容减小和平坦化以显著改善有源区的导热路径的被设置成与层110相邻的聚合物202。聚合物202可以为光敏聚合物。激光器200还另外包括层204。与层112相似，层204可以为金属层。半导体激光器200可以提供优异的平坦化和显著的电容减小以及显著的热导率改善。然而，激光器200可能在热处理(例如金属化退火和焊接)之后表现出阈值电流、激光波长和/或边模抑制比(sidemodesuppressionratio)的变化。这些性能变化可能会阻碍聚合物202的使用。

图3示出了半导体激光器300的截面。激光器300与激光器100和激光器200相似之处在于其包括有源区106以及层102、层104和层108。激光器300还包括燕尾rwg116和开口118。然而，激光器300还包括材料302和金属层304。为了在层108和燕尾rwg116上沉积材料302使得留下开口118可以使用剥离工艺来使激光器300平坦化。材料302可以由mgo、mgf2、sio2、si3n4和/或例如具有在最高至50ghz的频率范围内或者在10ghz至50ghz的频率范围内低的相对介电常数(例如，低于10)的其他不导电材料形成。为了减小电容，介电常数可以小于10并且可以更接近1。

使用如上所述的平坦化可以提供半导体激光器有源区使用材料302的冷却。材料302可以被蒸镀到激光器300上并且可以在激光器300上形成蒸镀薄膜。蒸镀可以向各种表面(例如，半导体、绝缘体和/或金属)提供粘附，并且还可以向由这些表面形成的各种拓扑结构和形状(例如燕尾脊)提供粘附。蒸镀还可以允许靶向沉积。金属304可以与上述层204相似。

mgo可以用作低的相对介电材料302的说明性实例，其可以用于平坦化。可以使用蒸镀将mgo附着至各种表面和形貌。例如，将mgo电子束蒸镀到激光器300的图案化的热的基底(例如，层108)上可以允许在目标区域中发生沉积。mgo的热导率为43w/mk，其可以使得能够从激光器300的有源区106导热。

此外，mgo还可以用于使激光器300的表面平坦化而允许较为不复杂的金属化技术，其具有改善的特性。例如，目前的光敏平坦化聚合物可能具有差的导热性。为了激光器300的低电阻(和大的接触面积)利用燕尾脊，以及在激光器300上电子束蒸镀或热蒸镀mgo，可以允许稳健的低成本制造工艺。所描述的平坦化可以提供降低半导体激光器器件温度的持久性技术，该技术也可以应用于其他半导体器件。

mgo还可以包含复折射率，mgo适合于半导体激光器结构，因为其可以具有在激光波长下减小的吸收。在此，折射率的虚数部分可以非常低，并且折射率的实数部分可以适合于允许激光器300的适当波导。

本公开内容的平坦化的一个重要优点是其可以改善从半导体激光器的有源区(例如有源区106)散热的路径。可以通过电阻加热或焦耳加热在燕尾rwg(例如，rwg116)中产生热，并且还可以在有源区中产生热。这种热可以通过基底(其可以例如由inp制成)、侧向通过电介质(例如，mgo)或者通过rwg的顶部上的金属接触部而从激光器中被带走。

图1示出了其中沉积金属层112以便环绕rwg116的侧部的结构。即使在行星式固定装置或摇摆式固定装置中，沉积金属也可以导致在rwg116的脊侧壁上的金属层112的较薄层，因为侧壁可能从不通常面向金属沉积源。在图1中，金属层112的较薄层可以提供从rwg116的顶部到接合焊盘114的受限热路径。图3示出了其中到rwg116的每一侧的脊区域已填充有电介质(例如，材料302)的结构。这使该结构平坦化并允许金属304以接近垂直落下的方式沉积。可以沉积金属304作为较厚的平坦层，该较厚的平坦层可以为热能到达接合焊盘区域提供更好的路径。空气桥也已经用于使该结构平坦化，并将对图4进行讨论。

图4示出了半导体激光器400的截面。半导体激光器400与激光器300相似之处在于其包括有源区106以及层102、层104和层108。激光器400还包括燕尾rwg116、开口118、层110和金属304。然而，激光器400还包括空气间隙402。金属304充当空气间隙402上的金属空气桥，并且被配置成将接合焊盘连接至激光器400的顶部。通过从燕尾rwg116的任一侧除去聚合物(例如，由聚合物202形成)以形成空气间隙402来形成激光器400。例如，可以在已经将金属304沉积在该结构上之后，使用溶剂除去聚合物。可以如下除去部分或全部聚合物。

可以使第一抗蚀剂层平坦化到该结构上并图案化，使得其填充燕尾rwg116的每一侧。然后可以使第一抗蚀剂层固化，使得例如其不溶于显影剂，但仍可以可溶于丙酮和其他抗蚀剂剥离剂。然后可以在第一层的顶部上使第二抗蚀剂层图案化以形成剥离结构。在将金属304金属蒸镀在该结构上之后，可以除去抗蚀剂层，除去聚合物并且在层110与金属304之间留下空气间隙402。这种设计可以减少不稳定的激光器运行并且可以提供厚的平坦化金属膜用于导热。

图5示出了可调节固定装置502的俯视侧视图。可以通过晶片板将半导体激光器附接至固定装置502，并且可以进行蒸镀以将激光器变为半导体激光器300。当将激光器附接至固定装置502时，可以定位固定装置502使得可以进行将材料302(例如，mgo)电子束蒸镀到激光器的燕尾rwg116的右侧和左侧上以及燕尾rwg116的下面。如图5所示，固定装置502可以用于在燕尾rwg116的右侧脊上的蒸镀，并且可以在时间t1提供这样的蒸镀。固定装置502可以重新定位从而重新定位激光器，并且用于在时间t2在激光器上的燕尾rwg116的左侧脊上蒸镀。由此可以形成激光器300。

固定装置502可以包括集成加热器，该集成加热器可以调节蒸镀温度用于改善蒸镀的薄膜特性。由固定装置502提供的设置的灵活性可以允许容纳宽范围的成角度的燕尾结构。图6a和图6b示出了固定装置502的不同配置。图6a示出了具有加热器602的固定装置502。固定装置502支承晶片604并将其保持在适当的位置为了将材料(例如，通过蒸镀流606的材料302)蒸镀到其上。晶片604可以为任何种类的半导体器件。如上所述，当将材料302的蒸镀流606指向晶片604时，加热器602可以用于调节蒸镀温度。可以将固定装置502调节为不同的角度使得可以将蒸镀流606施加至晶片604的不同区域。此外，蒸镀流606施加至晶片604的速率可以是可调节的。

图6b示出了被配置成支承激光器608的固定装置502。加热器602未在图6b中示出，但是可以集成在固定装置502中。或者，加热器602可以为如图6a所示的外部单元。除了蒸镀到其上的材料302之外，激光器608包括与激光器300相同的元件。通过蒸镀流606，可以将材料302蒸镀到激光器608上以形成激光器300。例如，可以使固定装置502成角度使得激光器608和燕尾rwg116被取向朝向蒸镀流606。因此可以将蒸镀流606蒸镀到激光器608上以及在rwg116的表面上。如上所述，材料302可以为mgo。因此，可以通过蒸镀流606将mgo沉积到激光器608上。如图6b所示，可以以45°的角度定位固定装置502。然而，固定装置502可以是可调节的使得其形成范围为0°至360°的角。此外，加热器602可以例如从环境温度至300℃变化。例如，蒸镀期间的温度可以为105℃。蒸镀期间基底温度的变化可能影响激光器608上的蒸镀膜密度和激光器608的光学特性/热特性。固定装置502因此提供在低的基底温度下通过电子束蒸镀的蒸镀以及对蒸镀角和晶片温度的控制，从而提供器件(例如激光器608)的平坦化。

使用固定装置502，可以进行使用兼容且低成本的技术(例如，电子束蒸镀或溅射技术)在燕尾rwg的脊侧壁上生长高导热的材料。因此可以生产可调谐的半导体器件。

可以进行使用材料302的平坦化，其中材料302可以为mgo、mgf2、sio2、si3n4和/或其他电介质。与sio2相比，使用mgo和mgf2可以略微改善导热性。这样的平坦化结构可以表现出显著的电容减小和从有源区的改善的导热路径。不同于聚合物的情况，在显著的热处理(例如金属化退火和焊接)之后，器件特性可以保持稳定。此外，燕尾脊的机械强度可以得到改善。

本公开内容不限于本文描述的具体实施方案的范围。实际上，根据前面的描述和附图，除了本文描述的那些之外，本公开内容的其他各种实施方案和对本公开内容的修改对于本领域普通技术人员而言将是明显的。因此，这些其他实施方案和修改旨在落入本公开内容的范围内。此外，尽管在出于至少一个特定目的在至少一个特定环境中的至少一个特定实施方式的情况下在本文中描述了本公开内容，但是本领域普通技术人员将认识到其实用性不限于此，并且可以出于许多目的在许多环境中有益地实施本公开内容。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种激光器结构，包括：

基底；

布置在所述基底上的有源区；

布置在所述有源区上的波导，所述波导包括第一顶表面和两个第一侧表面，其中所述第一顶表面接合所述两个第一侧表面中的一者以在所述波导中形成锐角；和

沉积在所述波导的所述两个第一侧表面上的第一材料。

2.根据权利要求1所述的激光器结构，其中所述第一顶表面接合所述两个第一侧表面中的两者以在所述波导中形成两个锐角。

3.根据权利要求1所述的激光器结构，其中所述波导由所述有源区上的第二材料的第一部分形成，其中所述第二材料的第二部分包括分别与所述波导的所述两个第一侧表面相邻的两个第二顶表面，其中所述两个第二顶表面中的一者接合所述两个第一侧表面中的相应一者以在所述波导中形成锐角，其中所述第一材料沉积在所述两个第二顶表面上。

4.根据权利要求3所述的激光器结构，其中所述第二顶表面中的两者接合所述两个第一侧表面中的两者以在所述波导中形成两个锐角。

5.根据权利要求1所述的激光器结构，其中所述第一材料为mgo、mgf2、sio2或si3n4之一。

6.根据权利要求1所述的激光器结构，其中所述第一材料的介电常数在最高至50ghz的频率范围内低于10。

7.根据权利要求1所述的激光器结构，其中所述第一材料为不导电的。

8.根据权利要求1所述的激光器结构，其中所述第二材料的第三部分包括第三顶表面和第二侧表面，其中所述第三顶表面接合所述第二侧表面，其中所述第二侧表面接合所述两个第二顶表面中的一者，所述激光器结构还包括：

布置在所述第三顶表面上的第一接触部；和

布置在所述基底上的第二接触部，

其中所述第一接触部被配置成通过向所述激光器结构传递电流来对所述激光器结构加偏压。

9.根据权利要求1所述的激光器结构，还包括至少一个小面。

10.根据权利要求9所述的激光器结构，其中所述至少一个小面形成在所述有源区上。

11.一种激光器结构，包括：

基底；

布置在所述基底上的有源区；

布置在所述有源区上的波导，所述波导包括第一顶表面和两个第一侧表面，其中所述第一顶表面接合所述两个第一侧表面以在所述波导中形成两个锐角；

与所述两个第一侧表面相邻形成的空气间隙；和

金属层，所述金属层被布置作为在所述空气间隙上的桥。

12.根据权利要求11所述的激光器结构，其中所述波导由所述有源区上的材料的第一部分形成，其中所述材料的第二部分包括分别与所述波导的所述两个第一侧表面相邻的两个第二顶表面，其中所述第二顶表面中的两者接合所述两个第一侧表面中的两者以在所述波导中形成两个锐角。

13.根据权利要求11所述的激光器结构，还包括布置在所述金属层上的第一接触部，其中所述第一接触部被配置成通过向所述激光器结构传递电流来对所述激光器结构加偏压。

14.根据权利要求11所述的激光器结构，还包括至少一个小面。

15.根据权利要求14所述的激光器结构，其中所述至少一个小面形成在所述有源区上。

16.一种制造激光器结构的方法，包括：

在基底上布置有源区；

在所述有源区上布置波导，所述波导包括第一顶表面和两个第一侧表面，其中所述第一顶表面接合所述两个第一侧表面以在所述波导中形成两个锐角；

至少在所述两个第一侧表面上沉积聚合物；

在所述聚合物上沉积至少一个抗蚀剂层；

在所述至少一个抗蚀剂层上沉积金属层；以及

除去所沉积的聚合物和所沉积的至少一个抗蚀剂层。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述波导由所述有源区上的材料的第一部分形成，其中所述材料的第二部分包括分别与所述波导的所述两个第一侧表面相邻的两个第二顶表面，其中所述第二顶表面中的两者接合所述两个第一侧表面中的两者以在所述波导中形成两个锐角。

18.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述金属层上布置第一接触部，其中所述第一接触部被配置成通过向所述激光器结构传递电流来对所述激光器结构加偏压。

19.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述有源区上形成至少一个小面。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一个小面通过蚀刻来形成。

21.一种用于电子束蒸镀的固定装置，所述固定装置包括：

晶片板，所述晶片板被配置成支承激光器结构；和

集成加热器，所述集成加热器被配置成以蒸镀温度发出热，

其中由所述集成加热器发出的所述热是可调节的，并且所述固定装置的角度是可调节的。

22.根据权利要求21所述的固定装置，其中所述晶片板还被配置成使所述激光器结构相对于蒸发物取向。

23.根据权利要求21所述的固定装置，其中所述激光器结构的取向使所述激光器结构的至少一个脊经受所述蒸发物。

24.根据权利要求21所述的固定装置，其中所述激光器结构的取向基于所述激光器结构的至少一个脊的角度而改变。