具有光束形狀修改的激光器的制造方法
【專利摘要】提供一種用于半導體激光器的光束控制結構，其允許光束形狀修改，從而允許例如更高的耦合到光纖中。所述結構可以包含傾斜天井、階梯、反射頂板和反射側壁中的一個或多個。
【專利說明】具有光束形狀修改的激光器
[0001]相關申請案
[0002]本專利申請要求2012年5月8日提交的美國臨時專利申請號61/644，270的優先權，所述申請以引用的方式整體并入本文。
[0003]發明背景
[0004]本公開一般涉及光子器件，更具體來說涉及改進的光子器件和其制造方法。
[0005]通常通過金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)在襯底上生長適當的層狀半導體材料以形成具有平行于襯底表面的有源層的外延結構而在晶片上制造半導體激光器。然后利用多種半導體處理工具處理晶片以制造包括有源層并且包括附著到半導體材料的金屬觸點的激光器光腔。通常通過沿半導體材料的晶體結構解理半導體材料以限定激光器光腔的邊緣或末端而在激光器腔的末端形成激光器腔面，使得當在觸點上施加偏壓時，所產生的流過有源層的電流使光子在垂直于電流的方向上從有源層的腔面邊緣出射。由于解理半導體材料以形成激光器腔面，故腔面的位置和定向是有限的；此外，一旦晶片被解理，晶片通常就成為小塊，以致不容易用常規的光刻技術來進一步處理激光器。
[0006]由使用解理腔面造成的上述和其他困難引致通過蝕刻形成半導體激光器的腔面的工藝的開發。在美國專利號4，851，368中描述的此工藝也允許激光器與其他光子器件單片集成在同一襯底上，所述專利的公開內容以引用的方式并入本文。這項工作被進一步擴展，并且基于蝕刻腔面的突脊激光器的工藝在1992年5月的IEEE量子電子學期刊(IEEEJournal of Quantum Electronics)的第 28 卷，第 5 號，1227-1231 頁中所公開。
[0007]使用半導體激光器的一個主要挑戰是激光器的輸出光束與光束定向或耦合到的介質之間的不匹配。例如，形成具有光斑大小轉換器(SSC)的半導體激光器可以允許激光與光纖的更有效的耦合或擴大光學對準公差，然而，一般來說有隨同形成SSC出現的某些缺點，例如，工藝的復雜性和激光器特性的降級。激光器特性的降級的實例為激光器閾值電流的增加。以下出版物討論所使用的各種SSC方法=Itaya等人在IEEE量子電子學選題期干丨J (IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics)的第 3 卷,第 3 號，968-974 頁中的 “Spot-Size Converter Integrated Laser D1des (SS-LD，s)，，；Moerman等人在IEEE量子電子學選題期刊的第3卷，第6號，1308-1320頁中的“A Review onFabricat1n Technologies for the Monolithic Integrat1n of Tapers with II1-VSemiconductor Devices” ；以及Yamazaki等人在IEEE量子電子學選題期刊的第3卷，第 6 號，1392-1398 頁中的 “1.3-μπι Spot-Size-Converter Integrated Laser D1desFabricated by Narrow-Stripe Selective M0VPE，，。
[0008]通過簡單工藝形成的激光器結構允許光束修改而不顯著影響激光器特性(例如，激光器閾值)，這種結構是非常理想的，并且例如可以引致以低成本封裝將激光束非常有效的耦合到光纖中。
發明概要
[0009]根據本公開，形成一種半導體激光器，其允許輸出光束的修改。
[0010]在本公開的一個實施方案中，使用蝕刻腔面激光器修改激光器的垂直遠場，所述激光器具有具傾斜角的天井或在輸出腔面前面的階梯。在本公開的另一實施方案中，除具有傾斜角的天井或階梯之外，使用側壁來修改激光器的水平遠場。在又一實施方案中，提供頂板來修改激光器的垂直遠場。在又一實施方案中，解理或蝕刻腔面激光器有源側朝下安裝在襯底或基座上，例如，具有例如傾斜天井或階梯的結構的硅或氮化鋁(AlN)。
[0011]例如，在本公開的一個實施方案中，公開一種半導體芯片，其包含:襯底；位于所述襯底上的外延激光器；蝕刻腔面；以及鄰近所述蝕刻腔面的結構，所述結構為天井，所述天井具有向下傾斜和具有至少一個臺階的向下階梯中的一個。半導體芯片也可以包含反射側壁。半導體芯片可以進一步包含在所述蝕刻腔面前面的頂板，其中所述頂板具有比所述蝕刻腔面的最低點更接近所述蝕刻腔面的最高點的下反射表面。半導體芯片可以另外包含沉積在所述結構上的反射涂層。半導體芯片還可以進一步包含選自包含InP、GaAs和GaN的組的所述襯底。
[0012]在本公開的另一實施方案中，公開一種半導體芯片,其包含:襯底；位于所述襯底上的外延激光器；蝕刻腔面；以及在所述蝕刻腔面前面的頂板，其中所述頂板具有比所述蝕刻腔面的最低點更接近所述蝕刻腔面的最高點的下反射表面。半導體芯片也可以包含反射側壁。半導體芯片可以進一步包含選自包含InP、GaAs和GaN的組的所述襯底。
[0013]在本公開的又一實施方案中，公開一種半導體芯片，其包含:襯底；位于所述襯底上的外延激光器；具有與襯底的平面成非90°角度的蝕刻腔面；照射在所述蝕刻腔面上的低于所述蝕刻腔面的臨界角的激光束；以及鄰近所述蝕刻腔面的反射結構。半導體芯片也可以包含為傾斜天井的所述結構。半導體芯片可以進一步包含反射側壁，其中所述側壁可以與所述蝕刻腔面通過間隙分離。半導體芯片可以另外包含為含有至少一個臺階的階梯的所述結構。半導體芯片還可以進一步包含選自包含InP、GaAs和GaN的組的所述襯底。
[0014]在本公開的又一實施方案中，公開一種混合動力總成，其包含:基座，所述基座具有天井的反射表面，所述天井具有向下傾斜和具有至少一個臺階的向下階梯中的一個；以及激光器，其具有有源層和有源側朝下定位在所述基座上的至少一個腔面；其中所述至少一個腔面被定位成鄰近所述反射表面。混合動力總成也可以包含為AlN或Si的所述基座。混合動力總成可以進一步包含為蝕刻腔面的所述至少一個腔面，進一步包含鄰近所述蝕刻腔面的反射結構。混合動力總成可以另外包含由外延沉積在襯底上的激光器結構形成的所述激光器，所述襯底選自包含InP、GaAs和GaN的組。混合動力總成還可以進一步包含所述基座，其進一步包括擋塊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]通過結合簡述如下的附圖進行的本公開的以下詳細描述，本公開的上述以及額外的目的、特征和優點對于本領域技術人員將變得明顯。
[0016]圖1 (a)為具有通過解理形成的前腔面和后腔面的半導體激光器的橫截面，并且圖1(b)為通過RSoft時域有限差分(FDTD)模擬從前腔面或后腔面獲得的相應垂直遠場(VFF) ο
[0017]圖2(a)為具有通過蝕刻形成的前腔面和后腔面的半導體激光器的橫截面，其中2 μ m平坦天井鄰近前腔面，并且圖2(b)含有通過RSoft FDTD模擬獲得的以實線所示的這個結構的相應VFF和以供參考的虛線所示的圖1 (b)的VFF。
[0018]圖3(a)為具有通過蝕刻形成的前腔面和后腔面的半導體激光器的橫截面，其中10 μ m平坦天井鄰近前腔面，并且圖3(b)含有通過RSoft FDTD模擬獲得的以實線所示的這個結構的相應VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。
[0019]圖4(a)為具有通過蝕刻形成的前腔面和后腔面的半導體激光器的橫截面，其中長度10 μ m的10°傾斜天井鄰近前腔面，并且圖4(b)含有通過RSoft FDTD模擬獲得的以實線所示的這個結構的相應VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。
[0020]圖5(a)為具有通過蝕刻形成的前腔面和后腔面的半導體激光器的橫截面，階梯鄰近前腔面，其中階梯中的每個臺階具有0.6 μ m高度和2.5 μ m寬度，并且圖5 (b)含有通過RSoft FDTD模擬獲得的以實線所示的這個結構的相應VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的 VFF。
[0021]圖6(a)為具有通過蝕刻形成的前腔面和后腔面的半導體激光器的橫截面，階梯鄰近前腔面，其中階梯中的每個臺階具有0.6 μ m高度和2.5 μ m寬度，并且I μ m厚的“頂板”位于在面向階梯的頂板側反射到激光的階梯上方，其具有3.75μπι長度，被定位成在橫截面中，頂板的左下角在第一臺階的邊緣上方4.75μπι，并且圖6(b)含有通過RSoft FDTD模擬獲得的以實線所示的這個結構的相應VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。
[0022]圖7示出突脊激光器前腔面的透視圖，階梯鄰近前腔面，所述前腔面用于垂直地控制光束。
[0023]圖8(a)為半導體激光器的頂視圖，其中反射角度的側壁放置在前腔面前面；圖8(b)示出離開前腔面并且由反射側壁修改的光的光強度的RSoft FDTD模擬；以及圖8(c)以實線示出由反射側壁修改的水平遠場(HFF)，同時以供參考的虛線示出對應于沒有任何反射側壁的激光器的HFF。
[0024]圖9(a)為半導體激光器的頂視圖，其中反射平行側壁放置在前腔面前面；圖9(b)示出離開前腔面并且由反射側壁修改的光的光強度的RSoft FDTD模擬；以及圖9(c)以實線示出由反射側壁修改的HFF,同時以供參考的虛線示出對應于沒有任何反射側壁的激光器的HFF。
[0025]圖10示出突脊激光器前腔面的透視圖，其中底部的階梯和三個臺階鄰近前腔面，第一臺階和第二臺階是平的，而第三臺階是平的然后傾斜到襯底，所述前腔面用于如圖5(a)中垂直地控制光束，但也包括類似于圖8中的用于水平地控制光束的側壁。
[0026]圖11示出具有階梯和頂板的突脊激光器前腔面的透視圖，所述前腔面用于如圖6(a)中垂直地控制光束，但也包括類似于圖8中的用于水平地控制光束的側壁。
[0027]圖12 (a)為半導體激光器的橫截面，其中前蝕刻腔面從垂直線到襯底的平面成角度A，并且后蝕刻腔面在或接近垂直于襯底，1ym平坦天井鄰近前腔面，并且圖12(b)含有通過RSoft FDTD模擬獲得的以實線所示的這個結構的相應VFF和以供參考的虛線所示的圖1 (b)的 VFF。
[0028]圖13 (a)為半導體激光器的橫截面，其中前蝕刻腔面從垂直線到襯底的平面成角度B，并且后蝕刻腔面在或接近垂直于襯底，1ym平坦天井鄰近前腔面，并且圖13(b)含有通過RSoft FDTD模擬獲得的以實線所示的這個結構的相應VFF和以供參考的虛線所示的圖1 (b)的 VFF。
[0029]圖14(a)為半導體激光器的橫截面，其中前蝕刻腔面從垂直線到襯底的平面成角度A，并且后蝕刻腔面在或接近垂直于襯底，階梯鄰近前腔面，其中階梯中的每個臺階具有0.6 μ m高度和2.5 μ m寬度，并且圖14(b)含有通過RSoft FDTD模擬獲得的以實線所示的這個結構的相應VFF和以供參考的虛線所示的圖1 (b)的VFF。
[0030]圖15示出有源側朝下安裝在硅基座上的解理腔面激光器的橫截面圖，硅基座含有階梯，并且激光器被定位成腔面鄰近硅階梯。
[0031]圖16(a)為具有通過蝕刻形成的前腔面和后腔面的半導體激光器的橫截面，其中階梯鄰近前腔面，硅基座含有階梯，并且激光器有源側朝下安裝在硅基座上并被定位成前腔面也鄰近硅階梯，并且圖16(b)含有通過RSoft FDTD模擬獲得的以實線所示的這個結構的相應VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。
[0032]圖17(a)為半導體激光器的頂視圖，其中反射彎曲側壁放置在前腔面前面；圖17(b)示出離開前腔面并且由反射側壁修改的光的光強度的RSoft FDTD模擬；以及圖17(c)以實線示出由反射側壁修改的HFF,同時以供參考的虛線示出對應于沒有任何反射側壁的激光器的HFF。
【具體實施方式】
[0033]圖1 (a)示出通過解理前腔面130和后腔面110形成的半導體激光器100。激光器結構包含具有外延沉積層的襯底120，外延沉積層允許形成下熔覆層140、0.34 μ m厚度的有源區180，以及1.83 μ m的上熔覆層160，下熔覆層140可以延伸到襯底中或如圖1(a)中所示被完全外延沉積并且具有1.83 μ m厚度。激光器在約1310nm下發出激光。圖1 (b)示出通過RSoft時域有限差分(FDTD)模擬從圖1(a)中的結構的前腔面或后腔面獲得的垂直遠場(VFF)。
[0034]圖2(a)示出通過在或接近垂直于襯底120的平面蝕刻前腔面230和后腔面210形成的半導體激光器200的橫截面，襯底120的平面通常是蝕刻腔面與襯底的平面的法線多達3°的偏差。形成蝕刻腔面激光器的工藝的實例描述在美國專利申請11/356203或美國專利8，130, 806中，這兩個專利轉讓給本申請的受讓人并且所述專利的公開內容以引用的方式整體并入本文。通常，通過蝕刻穿過上熔覆層、有源區和下熔覆層的至少部分形成蝕刻腔面。在270單分激光器芯片以使得鄰近前腔面230的天井250為2 μ m寬(2 μ m為前腔面與單分平面270之間的水平距離)。圖2 (b)示出通過RSoft FDTD模擬從前腔面獲得的以實線所示的VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。在兩個VFF曲線之間僅存在很小的差異。
[0035]圖3(a)示出通過蝕刻前腔面230和后腔面210形成的半導體激光器300的橫截面。在370單分激光器芯片以使得鄰近前腔面230的天井350為10 μ m寬。圖3 (b)示出通過RSoft FDTD模擬從前腔面獲得的以實線所示的VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。在兩個VFF曲線之間存在相當大的差異。以實線所示的VFF示出其主瓣380的半最大值全寬(FWHM)比虛線顯著變窄。此外，以實線所示的VFF示出從中心約10°的顯著程度的光束指向，以及旁瓣382的存在。例如，狹窄的FWHM對于允許與光纖的高耦合效率非常有用。然而，光束指向造成困難以及與封裝激光器并耦合到光纖的最傳統的方法不兼容。
[0036]圖4(a)示出通過蝕刻前腔面230和后腔面210形成的半導體激光器400的橫截面。在470單分激光器芯片以使得鄰近前腔面230的天井450為1ym寬，但天井450也以10°向下傾斜到襯底120。圖4(b)示出通過RSoft FDTD模擬從前腔面獲得的以實線所示的VFF和以供參考的虛線所示的圖1 (b)的VFF。以實線所示的VFF示出其主瓣480的FWHM比虛線顯著變窄。然而，不同于在圖3(b)中，以實線所示的VFF的主瓣480居中并且不顯示任何顯著的光束指向。例如，VFF中的主瓣的狹窄的FWHM以及缺乏波束指向對于允許與光纖的高耦合效率以及用于耦合到光纖的半導體激光器芯片的傳統封裝非常有用。一般來說，旁瓣482的功率不耦合到光纖中，例如，與主瓣一樣有效，因此需要最小化旁瓣并且最大化主瓣，以便例如最高效率的耦合到光纖。
[0037]圖5(a)示出通過蝕刻前腔面230和后腔面210形成的半導體激光器500的橫截面。在570單分激光器芯片以使得鄰近前腔面的階梯為1ym寬。階梯具有底部505和三個平坦臺階510、520和530，并且階梯向下走向襯底。臺階510的表面在蝕刻前腔面230低于有源區和下熔覆層的至少部分，臺階520的表面低于510，并且臺階530的表面低于520。每個臺階具有2.5 μ m寬度和0.6 μ m高度。底部505可以低于臺階510的表面，然而，底部505可以只是略高于臺階510，只要底部505不以任何顯著方式干擾光束。圖5 (b)示出通過RSoft FDTD模擬從前腔面獲得的以實線所示的VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。以實線所示的VFF示出其主瓣580的FWHM比虛線顯著變窄。如同在圖5(b)中，以實線所示的VFF的主瓣580居中并且不顯示任何顯著的光束指向。甚至階梯中的單個臺階也顯示對消除光束指向有顯著影響。旁瓣582的強度比482減小。
[0038]圖6 (a)示出通過蝕刻前腔面230和后腔面210形成的半導體激光器600的橫截面。在670單分激光器芯片以使得鄰近前腔面的階梯為1ym寬。階梯具有底部605和三個平坦臺階610、620和630，并且階梯向下走向襯底。臺階610的表面在蝕刻前腔面230低于有源區和下熔覆層的至少部分，臺階620的表面低于610，并且臺階630的表面低于620。每個臺階具有2.5 μ m寬度和0.6 μ m高度。另外，I μ m厚的頂板640位于在面向階梯的頂板側反射到激光的階梯上方，其具有3.75 μ m長度，被定位成在橫截面中，頂板的左下角在階梯中的第一臺階的邊緣上方4.75 μ m。圖6(b)示出通過RSoft FDTD模擬從前腔面獲得的以實線所示的VFF和以供參考的虛線所示的圖1 (b)的VFF。以實線所示的VFF示出其主瓣680的FWHM比虛線顯著變窄。如同在圖4(b)和圖5(b)中，以實線所示的VFF的主瓣680居中并且不顯示任何顯著的光束指向。然而，更多的功率集中在主瓣680中并且旁瓣682比482和582進一步降低，盡管存在另一個小旁瓣684。
[0039]圖7示出突脊激光器700的透視圖，其中前腔面230鄰近兩個臺階的階梯和底部。底部705描繪成第一表面，其平面為前蝕刻腔面230的最低點。第一臺階710和第二臺階720都具有平整表面。存在向下傾斜到襯底的傾斜表面730。在740單分芯片。盡管描繪突脊790激光器，但是將理解可以利用本文所述的特征來制造其他類型的激光器。例如，激光器結構也可以是掩埋異質結構(BH)激光器。例如，這種類型的激光器可以是法布里珀羅(FP)激光器或分布反饋(DFB)激光器。底部705可以具有低于臺階710的表面的表面，然而，底部705可以只是略高于臺階710，只要底部705不以任何顯著方式干擾光束。如果如圖7中所述制造具有光滑的反射表面的底部，那么底部可以被用作階梯中的第一臺階。
[0040]在進行的實驗中，制造兩種類型的突脊激光器。類型I是圖2 (a)中所示的種類，并且類型2如圖5(a)中所示具有階梯中的三個臺階。如在固態突脊激光器的制造中是常規的那樣，襯底可以由例如一種II1-V族化合物，或可以適合地摻雜的其合金形成。襯底包括頂表面，通過外延沉積，例如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束外延(MBE)在頂表面上沉積相繼的層。激光器結構為1310nm發光外延結構，其在InP襯底上具有以下層:n_InP下熔覆層；AlGaInAs下部遞變區域；含有壓縮應變AlGaInAs量子阱的有源區，每個量子阱夾在張應變AlGaInAs屏障之間；AlGaInAs上部遞變區域；p_InP上熔覆層；以及高P型摻雜InGaAs覆蓋層。晶片級測試確定類型I和類型2激光器的突脊激光器電子特性(例如閾值電流)很相似。類型I和類型2激光器被封裝在T0-56容器中，其具有折射率1.496的1.5_透鏡而沒有AR涂層。封裝的激光器在最優位置耦合到光纖，并且確定光纖中的斜率效率(SE)(光纖中耦合的激光功率的量除以高于施加到激光器二極管的閾值的電流的量)。類型I的光纖中的平均SE為0.0737W/A,而類型2的光纖中的平均SE為0.0970W/A,由于鄰近前腔面的階梯超過31 %而引起耦合效率增加。
[0041]圖8 (a)示出具有2μπι寬的突脊790的半導體激光器800的頂視圖。當在前腔面前面沒有特征時，如圖1(a)或圖2(a)會出現這種情況，這個激光器具有通過RSoft FDTD模擬獲得的圖8 (c)中以虛線所示的水平遠場(HFF)。將反射側壁810和820以2 μ m的間隙840放置在前蝕刻腔面230前面，以允許激光器與反射側壁之間的電絕緣。側壁結構具有13 μ m的長度860。反射表面810與前蝕刻腔面的平面成75°的角度830。反射表面820與前蝕刻腔面的平面成75°的角度835。兩個反射側壁之間的間隙850在其到前蝕刻腔面的最近點為6 μ m。圖8 (b)示出突脊激光器和反射側壁的RSoft FDTD模擬。圖8 (c)示出反射側壁對以實線所示的HFF的影響，并且HFF在沒有反射側壁的激光器上顯著變窄。半導體激光器的更窄的HFF具有許多應用，包括更好地耦合到光纖中。
[0042]圖9 (a)示出具有2 μ m寬的突脊790的半導體激光器900的頂視圖。當在前腔面前面沒有特征時，如圖1 (a)或圖2(a)會出現這種情況，這個激光器具有通過RSoft FDTD模擬獲得的圖9 (c)中以虛線所示的水平遠場(HFF)。將反射側壁910和920以2 μ m的間隙940放置在前蝕刻腔面前面，以允許激光器與反射側壁之間的電絕緣。側壁結構具有13 μ m的長度960，并且反射表面910與前蝕刻腔面的平面成90°的角度930。反射表面920平行于910。兩個反射側壁之間的間隙950為6μπι。圖9(b)示出突脊激光器和反射側壁的RSoft FDTD模擬。圖9 (c)示出反射側壁對以實線所示的HFF的影響，并且由于側壁而形成兩個區的波瓣。將激光束分成兩個或更多個波瓣具有許多應用，例如分別向兩個或更多個波導提供光。
[0043]圖10示出突脊激光器1000的前腔面230的透視圖，其中兩個臺階的階梯和底部鄰近前腔面230。第一平整表面為由前蝕刻腔面230的最低點限定的底部1005。第一臺階1010和第二臺階1020具有平整表面。傾斜表面1030向下傾斜到襯底，并且在1040單分芯片。結構包括反射側壁810和820。階梯結構允許前蝕刻腔面的更多激光功率仍沿著從突脊延伸并平行于突脊790的線，因此反射側壁810和820的影響比例如圖3 (a)中的結構可能出現的情況更明顯。底部1005可以具有低于臺階1010的表面的表面，然而，底部1005可以只是略高于臺階1010，只要底部1005不以任何顯著方式干擾光束。如果底部如圖10中所述被設計成具有光滑的反射表面，那么底部可以被用作階梯中的第一臺階。
[0044]為了形成側壁810和820的反射表面，反射金屬的濺射用于剝離工藝。或者，蒸發的金屬用于剝離工藝，但在蒸發期間搖動襯底以允許在側壁810和820以及平整表面1010和1020上良好的覆蓋。將理解，其他類型的反射膜可以沉積在側壁上。
[0045]圖11示出激光器1100的透視圖，激光器1100與圖10相同，但包括頂板1110以進一步使激光功率集中在主瓣中并且減少旁瓣，如上文在描述圖6(a)和圖6(b)時所述。從反射材料(例如金屬)沉積頂板，并且使用類似于用于形成半導體中的金屬橋的工藝(例如，參見 http://www.microchem.com/Appl-1IIVs-Airbridges.htm)。
[0046]圖12(a)示出通過在與襯底的平面的法線成10°的角度A下蝕刻前腔面1230，以及在或接近垂直于襯底的平面蝕刻后腔面210而形成的半導體激光器1200的橫截面。在370單分激光器芯片以使得鄰近前腔面1230的天井350為1ym寬。圖12(b)示出通過RSoft FDTD模擬從前腔面獲得的以實線所示的VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。在兩個VFF曲線之間存在相當大的差異。以實線所示的VFF示出其主瓣1280的FWHM比虛線顯著變窄。此外，以實線所示的VFF示出從中心約10°的顯著程度的光束指向，以及旁瓣1282的存在。旁瓣1282大于旁瓣382。
[0047]圖13(a)示出通過在與襯底的平面的法線成10°的角度B下蝕刻前腔面1330，以及在或接近垂直于襯底的平面蝕刻后腔面210而形成的半導體激光器1300的橫截面。在370單分激光器芯片以使得鄰近前腔面1330的天井350為1ym寬。圖13(b)示出通過RSoft FDTD模擬從前腔面獲得的以實線所示的VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。在兩個VFF曲線之間存在相當大的差異。以實線所示的VFF示出其主瓣1380的FWHM比虛線顯著變窄。此外，以實線所示的VFF示出從中心約10°的顯著程度的光束指向，以及旁瓣1382的存在。旁瓣1382大于旁瓣382。
[0048]圖14(a)示出通過在與襯底的平面的法線成10°的角度A下蝕刻前腔面1230，以及在或接近垂直于襯底的平面蝕刻后腔面210而形成的半導體激光器1400的橫截面。在570單分激光器芯片以使得鄰近前腔面的階梯為10 μ m寬。階梯具有底部505和三個平坦臺階510、520和530，并且階梯向下走向襯底。臺階510在蝕刻前腔面1430低于有源區和下熔覆層的至少部分，臺階520的表面低于510，并且臺階530的表面低于520。每個臺階具有2.5 μ m寬度和0.6 μ m高度。底部505可以低于臺階510的表面，然而，底部505可以只是略高于臺階510，只要底部505不以任何顯著方式干擾光束。圖14(b)示出通過RSoftFDTD模擬從前腔面獲得的以實線所示的VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。以實線所示的VFF示出其主瓣1480的FWHM比虛線顯著變窄。如圖14(b)中可見，以實線所示的VFF的主瓣1480居中并且不顯示任何顯著的光束指向。甚至階梯中的單個臺階也顯示對消除光束指向有顯著影響。旁瓣1482的強度比482減小。
[0049]圖15示出圖1 (a)的有源側朝下安裝在硅襯底或基座上的解理腔面激光器的混合動力總成1500的橫截面圖。可以用其他類型的襯底或基座材料(例如AlN)代替硅基座。在1575切割或單分硅基座。硅基座含有向下階梯結構。圖15中所示的階梯結構示出底部1505和三個臺階1510、1520和1530，其中臺階1510高于1520，并且臺階1520高于臺階1530。每個臺階具有2.5μπι寬度和0.6μπι高度。底部1505可以低于臺階1510的表面，然而，底部1505可以只是略高于臺階1510，只要底部1505不以任何顯著方式干擾光束。解理腔面激光器被仔細定位成腔面鄰近硅階梯，以使得鄰近前腔面的階梯為1ym寬。通過RSoft FDTD模擬獲得類似于圖5(b)中的實線的VFF。硅基座可以進一步包含擋塊1590，其允許解理的腔面激光器以高精度定位在硅基座上。
[0050]圖16(a)示出圖5(a)的有源側朝下安裝在硅基座上的蝕刻腔面激光器的混合動力總成1600的橫截面圖。在1575切割或單分硅基座。硅基座含有向下階梯結構。圖16(a)中所示的階梯結構示出底部1505和三個臺階1510、1520和1530，其中臺階1510高于1520，并且臺階1520高于臺階1530。每個臺階具有2.5μπι寬度和0.6μπι高度。底部1505可以低于臺階1510的表面，然而，底部1505可以只是略高于臺階1510，只要底部1505不以任何顯著方式干擾光束。在570單分激光器芯片以使得鄰近前腔面的階梯為1ym寬。階梯具有底部505和三個平坦臺階510、520和530，并且階梯向下走向襯底120。臺階510的表面在蝕刻前腔面230低于有源區和下熔覆層的至少部分，臺階520的表面(朝向襯底120)低于510，并且臺階530的表面(朝向襯底120)低于520。每個臺階具有2.5 μ m寬度和0.6 μ m高度。底部505可以低于臺階510的表面，然而，底部505可以只是略高于臺階510，只要底部505不以任何顯著方式干擾光束。蝕刻腔面激光器被仔細定位成腔面鄰近硅階梯，以使得鄰近前腔面的硅階梯為約10 μ m寬。圖16(b)示出通過RSoft FDTD模擬從前腔面獲得的以實線所示的VFF和以供參考的虛線所示的圖1(b)的VFF。以實線所示的VFF示出其主瓣1680的FWHM比虛線顯著變窄。如圖16(b)中可見，以實線所示的VFF的主瓣1680居中并且不顯示任何顯著的光束指向。旁瓣1682的強度比482減小。存在另一小旁瓣 1684。
[0051]圖17(a)示出具有2μπι寬的突脊790的半導體激光器1700的頂視圖。當在前腔面前面沒有特征時，如圖1(a)或圖2(a)會出現這種情況，這個激光器具有通過RSoft FDTD模擬獲得的圖17(c)中以虛線所示的水平遠場(HFF)。將反射彎曲側壁1710和1720以6 μ m的間隙1740放置在前蝕刻腔面前面，以允許激光器與反射側壁之間的電絕緣。彎曲側壁結構具有4μπι的長度1760和3μπι的曲率半徑，以及7μπι的間隙1750。圖17(b)示出突脊激光器和反射側壁的RSoft FDTD模擬。圖17(c)示出反射側壁對以實線所示的HFF的影響，并且HFF在沒有反射側壁的激光器上變窄。這說明側壁的許多形狀可能超出簡單的直線形。
[0052]具有傾斜的蝕刻前腔面(例如，如圖12(a)、圖13(a)和圖14(a)中所述的前腔面)的器件具有腔面，其成一定角度放置以使得激光束在低于前腔面的臨界角的角度下照射在前腔面上。這允許從這些腔面至少部分透射。具有抗反射涂層的傾斜前腔面的DFB激光器用這種方法執行得特別好。
[0053]使用具有光斑大小轉換器(SSC)的半導體激光器的現有技術的器件允許從激光器發出的光束具有被修改的形狀。然而，包含SSC會損失激光器性能。例如，具有SSC的激光器將具有高于沒有SSC的同一激光器的閾值電流。本公開的一個有益特性是在將階梯、頂板或側壁添加到激光器時不以任何顯著方式影響激光器的閾值電流。光束形狀修改允許幾個好處，例如，與光纖或光波導的較高的耦合效率，或擴大的光學對準公差。
[0054]盡管例如已將激光器200描述為具有通過蝕刻形成的后腔面210，但是將理解可以替代地通過解理形成后腔面。
[0055]當表面730或1030與襯底的角度是約45°或更高時，這不有助于以任何顯著方式控制或修改激光束，然而，這可能會顯著增加單分位置公差，即，740的平面與前蝕刻腔面230的平面之間的距離可以具有更大的公差并且使單分工藝更容易執行。
[0056]通過外延生長以高精度限定階梯結構中的臺階的每個平整表面的不同深度級別。在基于InP的激光器的情況下，通過交替相對于彼此具有濕式蝕刻選擇性的兩種材料，例如,0.58 μ m的InP層與約0.02 μ m的InGaAs或InGaAsP薄層交替,生長外延材料。這兩個層被重復到在階梯結構中需要臺階的程度。這些層通常是η型摻雜。η型下熔覆層、非摻雜有源區、P型上熔覆層和高P型接觸層隨后沉積在這些層上方。
[0057]在制造蝕刻腔面和突脊之后，通過使用光致抗蝕劑或電介質進行一系列光刻掩模定義，然后進行層特定的濕式化學蝕刻，例如1: 4HC1-H3P04的InP蝕刻和1:1:1OH2SO4:H2O2:H2O的InGaAs或InGaAsP蝕刻，形成在激光器前面的階梯結構。
[0058]在許多應用中，單縱模激光器比多縱模激光器更可取。一個這樣的應用是在數據通信中，其中使用單縱模激光器比多縱模激光器獲得更長的通信覆蓋。如上所述，具有以下一個或多個的DFB激光器:階梯、頂板和反射側壁，允許修改來自激光器的光束形狀。美國專利7，835，415教導可以結合本公開用于激光束控制的替代的單縱模激光器，所述專利轉讓給本申請的受讓人并且其公開內容以引用的方式整體并入本文。
[0059]具有高VFF值(例如大于40° )的半導體激光器可以被設計成具有較低的閾值電流，這是可取的。然而，通常這些激光器具有與例如光纖的不良耦合。本公開允許高VFF的低閾值電流的好處，同時允許良好的耦合效率。
[0060]盡管用1310nm發光的InP基激光器來描述本公開，但是將理解，InP上的其他波長激光器結構以及其他襯底上的其他波長激光器(例如，GaN襯底上的紫色、藍色和綠色激光器結構以及GaAs襯底上的紅外線和紅色激光器結構)也可以受益于本公開。
[0061]盡管已用優選實施方案說明本公開，但是將理解在不脫離以上權利要求書中陳述的真實精神和范圍的情況下，可以進行變化和修改。
【權利要求】
1.一種半導體芯片，其包含: 襯底； 位于所述襯底上的外延激光器； 蝕刻腔面；以及 鄰近所述蝕刻腔面的結構，所述結構為天井，所述天井具有向下傾斜和具有至少一個臺階的向下階梯中的一個。
2.如權利要求1所述的半導體芯片，其進一步包含反射側壁。
3.如權利要求2所述的半導體芯片，其進一步包含在所述蝕刻腔面前面的頂板，所述頂板具有比所述蝕刻腔面的最低點更接近所述蝕刻腔面的最高點的下反射表面。
4.如權利要求1所述的半導體芯片，其進一步包含沉積在所述結構上的反射涂層。
5.如權利要求1所述的半導體芯片，其中所述襯底選自包含InP、GaAs和GaN的組。
6.一種半導體芯片，其包含: 襯底； 位于所述襯底上的外延激光器； 蝕刻腔面；以及 在所述蝕刻腔面前面的頂板，所述頂板具有比所述蝕刻腔面的最低點更接近所述蝕刻腔面的最高點的下反射表面。
7.如權利要求6所述的半導體芯片，其進一步包含反射側壁。
8.如權利要求6所述的半導體芯片，其中所述襯底選自包含InP、GaAs和GaN的組。
9.一種半導體芯片，其包含: 襯底； 位于所述襯底上的外延激光器； 具有與所述襯底的平面成非90°角度的蝕刻腔面； 照射在所述蝕刻腔面上的低于所述蝕刻腔面的臨界角的激光束；以及 鄰近所述蝕刻腔面的反射結構。
10.如權利要求9所述的半導體芯片，其中所述結構為傾斜天井。
11.如權利要求10所述的半導體芯片，其進一步包含反射側壁。
12.如權利要求11所述的半導體芯片，其中所述側壁與所述蝕刻腔面通過間隙分離。
13.如權利要求9所述的半導體芯片，其中所述結構為含有至少一個臺階的階梯。
14.如權利要求13所述的半導體芯片，其進一步包含反射側壁。
15.如權利要求14所述的半導體芯片，其中所述側壁與所述蝕刻腔面通過間隙分離。
16.如權利要求9所述的半導體芯片，其中所述襯底選自包含InP、GaAs和GaN的組。
17.一種混合動力總成,其包含: 基座，其具有天井的反射表面，所述天井具有向下傾斜和具有至少一個臺階的向下階梯中的一個；以及 激光器，其具有有源層和有源側朝下定位在所述基座上的至少一個腔面； 其中所述至少一個腔面被定位成鄰近所述反射表面。
18.如權利要求17所述的混合動力總成，其中所述基座為AlN或Si。
19.如權利要求17所述的混合動力總成，其中所述至少一個腔面為蝕刻腔面，其進一步包含鄰近所述蝕刻腔面的反射結構。
20.如權利要求17所述的混合動力總成，其中所述激光器由外延沉積在襯底上的激光器結構形成，所述襯底選自包含InP、GaAs和GaN的組。
21.如權利要求17所述的混合動力總成，其中所述基座進一步包括擋塊。
【文檔編號】H01S5/00GK104380545SQ201380024259
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年5月7日 優先權日:2012年5月8日
【發明者】克里斯蒂安·斯塔加雷斯庫, 亞歷克斯·A·貝法爾, 諾曼·塞-強·廣 申請人:賓恩光學公司