专利名称：多腔刻蚀端面dfb激光器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及刻蚀端面光子器件，且更具体地涉及多腔刻蚀端面DFB激光器件。
背景技术：
通常，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)在衬底上生长合 适的半导体材料层以形成平行于衬底表面的具有有源层的外延结构，由此在晶片上制造半 导体激光器。该晶片接着经过各种半导体加工工具的加工，从而制作出包含有源层以及包 含贴附在半导体材料上的金属接触的激光光学腔。激光器端面通常形成在激光腔的末端， 通过沿其晶体结构切开半导体材料来定义激光光学腔的边缘或末端，以便当偏置电压施加 至触点时，产生的电流流过有源层，从而在垂直于电流流动的方向上从有源层的端面边缘 发出光子。由于切开半导体材料来形成激光端面，因此端面的位置和取向就受到限制，而 且，一旦晶片被切开，其通常是切开为小片，所以不能简便地应用常规的光刻技术来进一步 处理激光器。采用切开的端面所引起的前述及其他困难导致了通过刻蚀来形成半导体激光器 反射端面的工艺的发展。该工艺在美国专利4851368中描述，在此通过引用并入其公开的 内容，还允许激光器与其他光子器件一起单片地集成在同一衬底上。这一工作被进一步的 扩展，基于刻蚀端面的脊形激光工艺被公开在IEEE《量子电子学》杂志(卷28，第5期，第 1227-1231页，1992年5月)和US申请第11/356203中，在此通过引用并入其公开内容。分布反馈(DFB)激光器采用分布衍射光栅来产生单波长输出。端面和光栅的 相对位置在这些激光器的性能中至关重要，如Streifer等人在题为“分布反馈激光器上 的纵向模式的外部反射效应(Effect of External Reflector on LongitudinalModes ofDistributed Feedback Lasers) ”(IEEE《量子电子学》杂志，卷 QE-11，第 154 至 161 页， 1975年4月)中的论述。遗憾的是，切开的端面仅可被置于仅有数微米的期望位置之内，从 而导致在端面和光栅之间的随机相位的变化，并因此导致激光器的性能和特性的不可预见 性。因此，这些激光器由于设计而成品率有限。DFB激光器的关键性能特征是该器件是否工作在单纵模(SLM)以及其是否具有 高的边模抑制比(SMSR)。该相位变化对成品率的影响由Kinoshita等人在题为“具有轴 向平整化内场的SLM DFB激光器的成品率分析(Yield analysis ofSLM DFB lasers with an axially-flattened internal field) ”(IEEE《量子电子学》杂志卷 QE-25，第 1324 至 1332页，1989年6月)和David等人在题为“增益耦合DFB激光器和指数耦合及相移DFB 激光器的比较基于空间空穴烧毁校正成品率的比较(Gain-coupled DFB lasers versus index-coupled and phase shifted DFBlasers -.a comparison based on spatial hole burning corrected yeild) "(IEEE《量子电子学》杂志，卷 QE-27，第 1714 至 1723 页，1991 年6月)中论述。DFB激光器可通过光刻定义刻蚀端面来加工，但是光刻系统的对准精度连同光栅与刻蚀端面的布局之间的角度偏差不足以确切地说明整个晶片的端面和光栅之间的相位。 由于非常希望得到高成品率的DFB激光器，因此需要能解决上述问题的用于制作刻蚀端面 半导体DFB激光器的改进结构和方法
发明内容
本发明通过提供用于制作刻蚀端面半导体DFB激光器的改进结构和方法来解决 上述问题，其中每个芯片的至少两个DFB激光腔形成得彼此接近。配置腔体，使得第一腔体 采用衍射光栅来形成第一相位，并且第二腔体采用衍射光栅来形成不同的第二相位。在优 选实施例中，该相位差是通过使激光腔中的一个腔体的长度略长于其他腔体的长度来实现 的。在刻蚀端面激光器中，由于相邻放置的两个腔体之间的端面的相对位置可被精确地确 定，所以通过少量改变两个激光腔之一的腔体长度，DFB激光器的端面和衍射光栅之间的相 位将处在或接近于至少两个激光器之一的期望范围。在本发明的实施中，这种解决办法的 结果是芯片成品率的大幅度提高。在优选实施例中，即使可封装更小的芯片，但是为了相对容易地封装芯片，要求的 最小芯片尺寸是约250 μ m乘250 μ m。考虑到这个面积，双DFB腔体可形成于相同的芯片覆 盖区中，或形成于比单DFB腔体略大的覆盖区中。
通过下文结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的前述和另外的特征及优点 对本领域技术人员来说将显而易见，附图简单的描述如下图1是根据本发明优选实施例的两个刻蚀端面激光腔的图像描述，其被选择为在 它们的长度上具有相对差。为了能够说明本发明的概念，在本附图或其他附图中，腔体的尺 寸没有按比例地示出。图2说明了在其长度中具有相对差的图1中的两个刻蚀端面激光腔如何在激光腔 的光栅和每个刻蚀端面之间产生相位差。为方便起见，腔体被显示为在光栅和刻蚀端面之 间没有任何角度偏差，由于现有制造技术的限制，所以通常存在该角度偏差。图3描述的是根据本发明的优选实施例对于在腔体长度中具有微小差值的多对 激光器中的每一对在多种不同的阈值电流处而得到的实验性的边模抑制比(SMSR)数据的 图示。图4示出了采用本发明概念的一个实验装置得到的结果，该实验装置采用在左手 边10列邻近的激光器之间具有微小的腔体长度差以及在右手边10列邻近的激光器之间具 有微小的腔体长度差的20个激光器。图5描述了根据优选实施例构成的半导体芯片，其包括在其腔体长度中具有相对 差的两个刻蚀端面DFB激光器以及用于选择性的提供电流至每个激光器的电触点。
具体实施例方式本发明可应用于DFB半导体激光器结构，从而在制造该结构期间提高成品率。从 下文对本发明中优选使用的已知的激光器结构和制造技术的讨论中提供详细的发明构思。 如常用的，在固态脊形激光器的制造中，衬底可形成为例如III-V型化合物或其合金，其可适当的掺杂。衬底包括通过诸如金属有机化学气相沉积(MOCVD)的外延沉积来在其顶面上 沉积连续的层，从而形成包括有源区域的光学腔。一般地，光栅层将接近有源区域(在其 上或在其下)，并且光栅层通过电子束光刻、全息光刻或纳米压印技术被图案化为周期性结 构，接着通过刻蚀在该光栅层中形成光栅。沉积系统被用来在光栅层中的光栅顶部生长激光器结构的剩余部分，并且在DFB 激光器结构中提供分布反馈。DFB半导体激光器结构包含上部的和下部的覆层区域，其由 比有源区域的折射率更低的半导体材料形成，例如InP，并连接至有源区域。有源区域可 由InAlGaAs基的量子阱和势垒来形成。InGaAsP跃迁层可形成在上部覆层的顶部表面上。 InGaAs接触层可被用在InGaAsP跃迁层的顶部之上。光栅层通常形成在InGaAsP上，其带 隙对应的波长长于激光器的激光发射波长。例如，DFB激光器可以具有脊形类型或者具有隐埋式异质结类型，并且两种结构都 可通过这里所描述的发明来提高成品率。例如在由Artech出版社于1997年出版的作者为 Morthier等人的书名为《分布反馈激光器二极管手册》中，可以发现对各种类型DFB激光器 的设计和制造的详细描述。最常见的DFB结构之一具有简单的光栅，其周期性地调节实际的反射系数。但是， 如果这些激光器在其两个端面都具有优良的防反射(AR)涂层，那么他们将具有退化为对 称于布拉格频率的两种模式，并且SMSR将会非常低。这被Kogelnik等人在“分布反馈激光 器的耦合波原理(Coupled-wave theory ofdistributed feedback lasers) ”(应用物理杂 志，卷43，第5期，第2327-2335页，1972年)中论述。克服该退化的其中一个方法是对其中 一个端面进行高反射(HR)涂覆，而对另一个端面进行AR涂覆。然而，由于切开的端面仅能 够以数微米的位置精度来配置，因此在光栅和切开的端面之间的相位的不确定性导致了成 品率问题。这被J. Buus在“具有切开的端面的DFB激光器中的模式选择(Mode selectivity in DFB lasers with cleaved facets)"(Electronic Letters,卷 21,第 179-180 页，1985 年)中论述。在本发明的有效实现方式中，至少两个相邻放置的分布反馈(DFB)半导体激光腔 10和12被制造在衬底上，如图1和2所示，采用DFB外延材料来进行刻蚀端面加工。前端 面14和16显示为处于相同的相对位置并且被AR涂覆。第一激光器10具有长度为L的腔 体，而第二激光器12具有长度为L-Δ L的腔体。因此，后端面18和20彼此之间处于不同 的相对位置。这在每一个后端面18和20与如图2所述的衍射光栅结构24的光栅22之间 产生相位偏差。所采用的光刻系统的分辨率是365nm，而覆盖精度在70nm之内。但是，通过设计和 通过采用高分辨率的光刻掩模，相对于两个相邻间隔的激光腔10和12的光栅结构24，两个 前端面14和16的相对位置可更好的控制在20nm。光栅22和刻蚀端面14、16、18和20之 间的角度偏差设定了激光腔10和12需要多少间隔的范围，才能用于良好的控制刻蚀端面 的相对位置。采用该技术来构建L = 250，300和350 μ m及Δ L = 0. 1 μ m的大量间隔紧密的 双腔刻蚀端面DFB激光器。腔体长度中的这个差值对应于两个激光器的端面和光栅之间 176°相位变化的标称值，其用于波长约为1310nm和有效折射率约为3. 2的激光器。光 栅的间距Λ等于X/(2nrff)，其中λ是自由空间的波长，而nrff是有效折射率。通过采用2π (Μ/Λ)来计算相位变化。两个激光器波导中心之间的间隔S是20μπι，但光栅图形和 端面之间的角度偏差可减小或增加相位变化对标称值的影响。将可理解的是更大或更小的 间隔都可使用。如图1所示，前端面14和16是AR涂覆的端面并且其被示出为处于相同的 相对位置，而后端面18和20是在位置中具有相对差的HR涂覆的端面。该相对位置中的差 值导致了端面和光栅之间不同的相位，图2说明的是90°的相位差。制造二十四对DFB腔体，其中一对具有L的腔体长度，而其他对具有L-AL的腔体 长度。1至8对具有L = 250 μ m，9至16对具有L = 300 μ m，而17至24对具有L = 350 μ m， 并且Δ L = 0. 1 μ m。例如，在1对中左方激光器Ia具有250 μ m的标称腔体长度，而右方激 光器Ib具有249. 9 μ m的标称腔体长度。测试这48个DFB激光器，并且在图3中示出其结果。SMSR是在施加至激光器的电 流为激光器阈值电流Ith的2到5倍时测量的。高于30dB的SMSR被认为是良好的。从该 数据可以看出，在器件对中的两个器件的至少一个以远大于30dB的SMSR来工作。例如，对 1示出了 DFB激光器Ia是良好的，而DFB激光器Ib是低劣的。在图3中，所有低劣SMSR的 器件由箭头指出。在其他实验中，形成的多腔如图4所示。在此，AL ‘是作为实验左手边或实验右 手边的10个器件中彼此邻近的两个腔体之间的差值。AL ‘设定为20nm，其对应于光栅和 相邻端面之间的标称相位差为35. 2。。令人关注的是，通过比较左手边和右手边，就可确定 刻蚀端面和光栅之间的角度偏差。实验的结果显示，对于邻近器件的SMSR的显著性差值， 至少需要30°的相位差，且优选该值为约90°。该实验证明了对于如图1中的双DFB激光腔结构的芯片成品率高于单DFB激光腔 的芯片成品率。这是因为在对中的两个腔体中的一个符合SMSR要求的高概率。图5描述了根据本发明优选实施例构建的半导体芯片50。芯片50包括在其上形 成双腔DFB激光器结构54的衬底52。激光器结构54包括如图1中所构建的第一和第二激 光腔56和58。因此，腔体56和58包括在其前端被涂覆AR的刻蚀端面60和62以及在其 后端被涂覆HR的刻蚀端面64和66。在制造过程中，电性接触层形成在激光器结构54上(其包括图2中的腔体56、58 和衍射光栅24)。大部分接触层接着被移除，从而形成用于分别向第一和第二激光腔56和 58提供电流的第一和第二接触垫68和70。图5中的芯片50或在后刻蚀端面之间具有不同相对相位的至少两个激光腔的芯 片可被封装为例如TO型，并且至少两个激光器中的一个可选择性地在封装里被引线接合 以向激光器提供电流。通常，TO型封装将具 有透镜并且该透镜可与激光器对准。在此，透 镜可与已接受引线接合的激光器对准。前端面或AR涂覆的两个端面14和16没有必要处于如图1所示的相同的相对位 置，但是，在两个后端面或HR涂覆的端面18和20之间具有相对位置差是重要的。作为前 文所述的结构的可替代方案，由于两个前端面可处于相同的位置，所以它们可采用切开来 形成，而后端面可通过刻蚀来形成。还可制作一种新型的表面发射半导体激光器。已知的这种激光器如水平腔表面发 射激光器(HCSELTM)，并且公开于2004年10月5日提交的美国申请10/958069以及2004 年10月14日提交的美国申请10/963739中，在此通过引用并入其公开内容。如这些申请的详细说明，HCSEL具有相对于衬底被刻蚀为或者约为45°的端面。定义了腔体的一个末端 的反射表面在刻蚀端面之上，并且可具有已移除的接触层以便减小吸收率。双腔DFB HCSEL 可替代前文所述的DFB边缘发射激光器，并且还有益于提高芯片成品率。假设刻蚀端面的图案化和刻蚀端面的实际位置可精确地定位，例如对于1310nm DFB激光器来说，其所希望的是光刻系统具有比365nm更高的分辨率，以便能够执行光栅 的图案化并且使刻蚀端面能够以足够的精度来定位，所以可知镜面或端面的相位在几度以 内。这还能得到高成品率的DFB激光器。但是，如果光刻系统没有这样的能力，那么由于芯 片和光栅上的激光器的后刻蚀端面之间的不同相对相位，采用本发明使得每一个芯片的成 品率能够比单一 DFB腔体的成品率显著的提高。尽管本发明已经根据优选实施例及其变型例进行了描述，但是可以理解的是，在 不脱离后附权利要求的范围的情况下，也可进行其他变型及修改。
权利要求
一种半导体芯片，包括衬底；在所述衬底上的外延激光器结构；在所述外延激光器结构中形成的包含周期性光栅的层；在所述外延结构中形成的至少第一和第二激光腔；所述第一激光腔具有至少一个刻蚀端面，该刻蚀端面与所述光栅形成第一相位；所述第二激光腔具有至少一个刻蚀端面，该刻蚀端面与所述光栅形成第二相位，所述第二相位不同于第一相位。
2.根据权利要求1的半导体芯片，其中所述刻蚀端面是高反射涂覆的。
3.根据权利要求1的半导体芯片，其中所述第一和第二激光腔中的每一个都具有通过 刻蚀形成的第二端面。
4.根据权利要求3的半导体芯片，其中第二端面以相对于所述衬底约45度的角度被刻蚀。
5.根据权利要求4的半导体芯片，其中所述第二端面上的表面是防反射涂覆的。
6.根据权利要求4的半导体芯片，其中所述外延激光器结构进一步包括半导体接触 层，且所述半导体接触层被从所述第二端面上移除。
7.根据权利要求6的半导体芯片，其中所述半导体接触层是由InGaAs形成的。
8.根据权利要求6的半导体芯片，其中所述第二端面上的表面是防反射涂覆的。
9.根据权利要求3的半导体芯片，其中所述第一和第二激光腔中的每一个的所述第二 刻蚀端面都垂直于所述衬底。
10.根据权利要求10的半导体芯片，其中所述第二刻蚀端面是防反射涂覆的。
11.根据权利要求1的半导体芯片，其中所述芯片被置入封装之中，并且其中所述第一 和第二激光腔中的至少一个通过引线接合来接收电流。
12.根据权利要求11的半导体芯片，其中所述封装中的透镜与通过引线接合来接收电 流的所述至少一个激光腔对准。
13.根据权利要求1的半导体芯片，其中所述第一和第二激光腔中的每一个都具有一 个切开的端面。
14.根据权利要求13的半导体芯片，其中所述切开的端面是防反射涂覆的。
15.根据权利要求14的半导体芯片，其中所述刻蚀端面是高反射涂覆的。
16.根据权利要求1的半导体芯片，其中所述第一和第二激光腔中的每一个都具有一 长度，并且所述第一激光腔的长度不同于所述第二激光腔的长度。
17.一种半导体芯片，包括 衬底；在所述衬底上的外延激光器结构；在所述外延激光器结构中形成的间距为Λ的周期性光栅；在所述外延结构中形成的至少第一和第二激光腔；具有第一长度的所述第一激光腔具有至少一个刻蚀端面；并且具有第二长度的所述第二激光腔具有至少一个刻蚀端面；其中所述第一和第二长度互不相同。
18.根据权利要求17的半导体芯片，其中所述第一和所述第二长度彼此之间的差异小 于Λ且大于零。
19.根据权利要求18的半导体芯片，其中所述第一和所述第二长度彼此之间的差异小 于3Λ/4且大于或等于Λ/4。
20.根据权利要求17的半导体芯片，其中所述芯片被置于封装之中，并且其中所述第 一和所述第二激光腔中的至少一个通过引线接合来接收电流。
21.根据权利要求20的半导体芯片，其中所述封装中的透镜与通过引线接合来接收电 流的所述至少一个激光腔对准。
全文摘要
半导体芯片具有至少两个DFB刻蚀端面激光腔，其中一组端面具有AR涂层，第二组刻蚀端面具有HR涂层，从而相对于光栅具有不同的相对位置。这可在每一个刻蚀端面和光栅之间产生相位差，光栅改变两个激光腔的工作特性，使得至少一个激光器提供可接受的性能。因此，两腔设置极大地提高了芯片制造的成品率。
文档编号H01S3/10GK101803133SQ200880106365
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月11日 优先权日2007年9月11日
发明者A·A·贝法, C·斯塔盖瑞斯库, M·格林, N·S·翁 申请人:宾奥普迪克斯股份有限公司