一种光子晶体或光子带隙垂直腔面发射激光器的制造方法

技术领域

该发明涉及制造VCSELs，其涉及一种制造包含微/纳结构模式选择横向层的VCSEL的方法，通过适当地控制局部刻蚀来获得该微/纳结构层。该发明能以非常高的精度来控制该微/纳结构层的厚度。特别地，该发明涉及一种制造具有微/纳结构模式选择层的VCSEL的方法，该模式选择层用于控制VCSEL的横向电磁模式。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSELs)由于其优良性能以及广泛应用而备受关注。要实现低制造成本则要求高的生产良率，以及由此要求用于生产的制造方法严格可控。只有当任何以及每个制造方法的工艺步骤可控时，才能获得高良率。

包括具有用于控制VCSEL内电磁模式的刻蚀微/纳结构模式选择层的横向层的VCSEL的制造包括特别的制造步骤。该工艺包括如光刻胶的沉积、光刻胶曝光、光刻胶显影、刻蚀或材料沉积、和光刻胶去除步骤。要获得制造微/纳结构VCSEL的高良率要求很好地控制所有的这些步骤。

当制造微/纳结构模式选择元件时，VCSEL的性能严重依赖于刻蚀深度。典型地，通过刻蚀速率来确定该刻蚀深度，因此整个刻蚀时间确定了该刻蚀深度。可惜的是，刻蚀速率依赖于许多参数，对于湿法化学刻蚀如温度、化学剂、浓度；对于干法化学刻蚀如气流、气压、所用反应气体和非反应气体的总量、和气体混合比。

在“Electrically inhected single-defect photonic bandgap surface-emitting laserat room temperature”中，Electronics Letters，第36卷，第18期(2000年8月31日)，作者W.D.Zhou等，公开了一种VCSEL，包括底镜、顶镜、和以三明治结构处于两镜之间的增益区。两个镜子都是III-V族半导体基。从顶镜的顶部开始刻蚀深孔，穿透增益区并到达底镜中。该孔进而排列为规则阵列，在该阵列的中心具有缺陷。通过估算刻蚀速率并对刻蚀记时来确定该刻蚀深度。在这篇论文中并没有提到很好的控制刻蚀深度的问题。

在美国专利6683898中，公开了一种VCSEL结构，包含底镜、顶镜、以及以三明治结构处于两镜之间的增益区。形成光子晶体区域以阻止该VCSEL中的较高等级的横向模式。通过再生长步骤和/或由刻蚀工艺的时间来确定的刻蚀深度来实现该公开结构的制造。

在“True Photonic band-gap mode-control VCSEL structure”中，ECOC’03，pp40-41(2003)，作者F.Romstad等，示例了如何在VCSEL中通过浅刻蚀(小于100nm)来很好地控制波长。在局部半导体顶镜中实施浅刻蚀，且通过在局部刻蚀的部分半导体顶镜的顶部沉积介电顶镜，以得到实现激发光所需要的顶镜反射率。

在“Single-mode photonic bandgap VCSELs”中，ECOC’04，Proceeding vol.3，pp596-597(2004)，作者S.Bischoff等，示例了一种依赖于通过光子带隙(PBG)效应来实现的横向模式限制VCSEL。通过在局部半导体顶镜中柱的浅刻蚀来实现该PBG效应。通过在局部刻蚀的部分半导体顶镜的顶部沉积介电顶镜，以得到达到激发光所需要的顶镜反射率。

国际申请PCT/DK2005/000759公开了一种用于VCSEL中横向模式控制的技术，能提供大孔单模高功率VCSEL。该发明通过提供容许大孔单模高功率工作的基本结构零件以给出一种改进的VCSEL设计。这里所描述的许多结构特征在于，包括中心光孔区域，其提供长光子寿命和与激活区域的重叠。同时还包括为了提供比光孔区域中短的光子寿命而形成的模式整形区域。另外，包括为了提供对于模式整形区域和光孔区域的模式横向限制而设计的模式限制区域。选择这些区域的尺寸，以设计VCSEL腔中的每个横向电磁模式中的激光作用的效率。

上述现有技术对现有的VCSEL的描述都是基于在一个完整或局部的半导体顶镜中刻蚀微/纳结构模式选择区域。该方法的缺点是需要非常好地控制刻蚀工艺。高刻蚀深度控制的缺乏要求额外的工艺特性以确定实际得到的刻蚀深度。

特别是当提到湿法化学刻蚀技术时，刻蚀工艺中器件的处理是工艺变化的重要来源。特别是如果刻蚀速率相对很高时，开始和停止刻蚀工艺的时间是不确定的。如果不在控制之中，则反而会影响生产良率。

发明内容

本发明的目的是提供一种更好地控制VCSEL中的微/纳结构层厚度的可替换的方法，该VCSEL中具有用于横向模式控制的微/纳结构模式选择层。改进的层厚度控制，在第一方面是通过沉积一介电材料薄层或局部半导体顶镜的顶部上的一局部介电顶镜而执行，其中该局部半导体顶镜中形成微/纳结构。只要刻蚀工艺中介电材料与所用的半导体材料的刻蚀速率之间具有高比例，则半导体和介电材料之间的界面实现了刻蚀停止层的功能。该蚀刻工艺可以是湿法或干法化学刻蚀。

引入这种刻蚀停止层具有使得刻蚀深度较少依赖于刻蚀速率和时间的优点，以及不再必须在工艺中测量实际达到的刻蚀深度。根据本发明的制造方法中刻蚀深度的变化主要由两个因素所确定：(1)在其中沉积介电层(局部介电顶镜层)的层的厚度精度；(2)介电微/纳结构模式选择层的第一刻蚀速率与在其上设置介电微/纳模式选择层的层的第二刻蚀速率之间的比例。在3英寸或4英寸晶片的一边沉积的介电材料层厚度可以典型地控制在几个百分比之内(<2-4％)。由此，当沉积100nm厚的介电材料层时，刻蚀深度变化的最大变化为4nm。

在当前描述中，涉及VCSEL结构的术语“上边”和“下边”，以及“顶部”和“底部”，指的是当VCSEL衬底水平垂直于标记为向上的发射面时的结构中的相对位置。

在本发明的第一方面，提供了一种制造包含微/纳结构模式选择区域的VCSEL结构的方法。该方法包括步骤：

-提供衬底，用于支撑后续步骤中所形成部分；

-在该衬底上形成一层结构，该层结构包括：

包含两层或三层的底镜；

在该底镜上形成的III-V基增益区，该增益区适于生成光以及激发该生成的光；

在该增益区上形成的包含两层或三层的顶镜，由此底镜和顶镜形成保持增益区的激光腔；

位于顶镜内的微/纳结构模式选择区域，该微/纳结构模式选择区域包含光孔，该微/纳结构模式选择区域和该光孔的尺寸至少适于局部控制作用于腔的横向电磁模式中的激发光效率；

形成该微/纳结构模式选择区域，通过：

-形成介电微/纳结构模式选择层，放置在该微/纳结构模式选择区域所在位置；

-在该介电微/纳结构模式层上形成掩膜层，该掩膜层包括具有与微/纳结构模式选择区域相应的预定微/纳结构模式选择设计/版图的掩膜图案；

-将掩膜层作为刻蚀掩膜，利用一种刻蚀技术进行刻蚀，该预定微/纳结构模式选择设计/版图转入该介电微/纳模式选择层以形成微/纳结构模式选择区域；

-去除该掩膜层；

其中，在去除掩膜层步骤之后，在该介电微/纳结构模式选择层上面形成该介电微/纳结构模式选择层上的顶镜的层；

以及其中，该刻蚀技术具有该介电微/纳结构模式选择层中的第一刻蚀速率和在该介电微/纳结构模式选择层上的层中的第二刻蚀速率，第一刻蚀速率大于第二刻蚀速率。

术语“微/纳”用来指主要以从10nm到5μm的尺寸特性为特征的结构。光子带隙型结构，是一个微/纳结构的例子，其用来控制相对于化合材料中的光散射。

第一和第二刻蚀速率的不同意味着，在其上形成微/纳结构模式选择层的层主要用作刻蚀停止层。

一层单独的氧化层可以并入腔中，以允许例如为了提供电流限制目的的选择性氧化。

第一刻蚀速率和第二刻蚀速率的比例决定了刻蚀停止的效率。根据本发明的第一方面，该比例大于1。优选地，第一刻蚀速率和第二刻蚀速率之间的比例至少为1.2，如至少为1.5，如至少为2，如至少为5，如至少为10，如至少为15，如至少为20，如至少为50，如至少为100。高比例对应于高刻蚀停止效率。

如果介电层为SiO2以及刻蚀停止层为GaAs，在利用CHF3反应离子刻蚀中，第一刻蚀速率为40nm/s左右以及第二刻蚀速率为3nm/s左右。

优选地，在停止点停止刻蚀，该停止点相应于刻蚀到达介电微/纳结构模式选择层和在其上形成该介电微/纳结构模式选择层的层之间的界面的时间，或之后尽可能快的，优选之后立刻，通过基于刻蚀时间和第一刻蚀速率来评估刻蚀深度以确定该停止点，或以其他适当的机制来评估或确定所述的停止点。虽然以更慢的第二刻蚀速率来处理，增加了刻蚀深度的变化，但由于其最小化了对下面半导体(III-V)层(刻蚀停止层)的刻蚀，则仍具有优点。

优选地，用于在介电层中形成网格结构的刻蚀技术为CHF3干法刻蚀或CF4/O2干法刻蚀。

介电微/纳结构模式选择层可以包括例如SiOx、TiOx、TaOx、CaF2、ZnSe、MgF2、SiGe、Si、Ge、Si3N4、AlxOy或它们的组合。也可以包括几个亚层，而不是包括一层单独、同质的层。

可以利用例如PECVD、或利用或不利用离子辅助的热溅射工艺沉积介电层。

如果除了该介电微/纳模式选择层之外，VCSEL结构的顶镜包含一个或多个介电层，则可以例如利用离子辅助电子束玻璃溅射工艺来沉积这些层。这些层可能包括例如SiOx、TiOx、TaOx、CaF2、ZnSe、MgF2、SiGe、Si、Ge、Si3N4、AlxOy或其组合。

举例说明，可以形成根据第一方面制造的VCSEL结构，通过：

在衬底上形成底镜；

在底镜上形成增益区；

在增益区上，形成第一顶镜层，如分布式布拉格反射镜(DBR)堆栈；

在第一顶镜层上形成介电微/纳结构模式选择层；

在介电微/纳结构模式选择层上形成剩余顶镜层。

由此介电微/纳结构模式选择层为形成在顶镜内的额外的层。该介电微/纳结构模式选择层的主要功能是使能精确控制刻蚀深度。

优选地，利用以配置厚度的相关变化率小于10％，例如低于5％，例如低于2％，例如低于1％，例如低于0.5％为特征的配制工艺来配置介电晶格层。

这种变化是不可避免的，但是在晶片上的给定点处这种变化非常小且明显地低于在III-V族层中导致的刻蚀深度的变化。

本发明的第二方面包括利用剥离工艺，在局部半导体顶镜的顶部形成掩膜层，其中在该半导体顶镜中形成微/纳结构的反面。在半导体顶镜上部分地沉积介电微/纳结构层，其中去除掩膜层，以及部分地形成在掩膜层上。掩膜层光刻胶现在与其上的介电材料在一起，通过剥离工艺去除，留下半导体顶镜顶部的介电微/纳结构层。

根据刻蚀和非刻蚀区域的腔谐振波长之间的差异来确定如VCSEL的谐振器的由微/纳结构模式选择元件控制的横向模式。该腔谐振波长的偏移为随着被刻蚀层的减小的折射率而减小的刻蚀深度的函数。当在低折射率介电材料中实施浅刻蚀时，相对于高折射率半导体材料层，该腔谐振波长相对于刻蚀深度的变化具有较小的敏感度。

该发明的基本观点是通过介入一复合层以使得具有微/纳结构模式选择区域的VCSEL具有更好的再现性，因此为刻蚀微/纳结构模式选择区域的形成提供控制方法。因为刻蚀技术中存在的两层中的不同速率，该发明还实现了可以在III-V族层上的介电层提供这种方法。同时，根据本发明制造的VCSEL可以提供高功率、单膜工作、以及由此本方法非常令人满意。

本发明的第二方面提供一种制造包含微/纳结构模式选择区域的垂直腔面发射激光器(VCSEL)结构的方法。该方法包括步骤：

-提供衬底，用于支撑后续步骤中所形成部分；

-在该衬底上形成一层结构，该层结构包括：

包含两层或三层的底镜；

在该底镜上形成的III-V基增益区，该增益区适于生成光以及激发该生成的光；

在该增益区上形成的包含两层或三层的顶镜，由此底镜和顶镜形成保持增益区的激光腔；

位于顶镜内的微/纳结构模式选择区域，该微/纳结构模式选择区域包含光孔，该微/纳结构模式选择区域和该光孔的尺寸至少适于局部地控制该腔的横向电磁模式中的激发光效率；

形成该微/纳结构模式选择区域，通过：

-形成掩膜层，位于该微/纳结构模式选择区域所在位置；

-图案化该掩膜层，包括一具有限定该微/纳结构模式选择区域的预定反转微/纳结构的掩膜图案；

-在图案化掩膜层上形成介电微/纳结构模式选择层，利用掩膜层剥离介电材料从而在介电模式选择层内形成微/纳结构，该微/纳结构为掩膜层为/纳结构图案/版图的反转；

其中在形成微/纳结构层之后，该介电微/纳结构模式选择层上的顶镜的层被形成在该介电微/纳结构模式选择层上面。

附图说明

图1示例了一种现有的VCSEL，其中主要通过一层氧化层和一层在VCSEL顶镜内的刻蚀结构来控制腔内电磁模式的横向元件。

图2a示例了根据本发明制造的一种VCSEL。主要通过刻蚀到与局部半导体顶镜相邻的一薄介电层内的嵌入微/纳结构模式选择结构来控制腔内电磁模式的横向元件。在局部浅刻蚀第一沉积介电层(250)之后，沉积局部介电顶镜(240)。该顶视图示出了一维横向模式限制结构(231，232，240)的例子。

图2b示例了图2a中VCSEL的顶部部分。该图示出了局部的半导体和介电顶镜。该顶视图示出了一维横向模式限制结构(232，240，270、271)的例子。

图3示例了通过刻蚀规则网格的孔来实现的二维横向模式控制元件。典型地，因为设计光从这个区域(PBG或PhC缺陷)进行发射，所以中心部分是非刻蚀的。