垂直腔面发射激光器

本申请要求2019年5月16日提交的欧洲专利申请EP19174870.6的权益和优先权。前述申请的全部内容通过引用合并于此。

背景技术

作为发射器中的光源，垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种关键使能设备，其满足在1-1000米范围内光学互连的所有要求。垂直腔面发射激光器具有高数据速率、低功耗和低成本等优点，然而大多数优点没有被充分利用或在模块中丢失，因为目前与驱动器(硅基或砷化镓基)的必要集成尚不充分。此外，通过这种互连桥接的距离也增加到超过1千米和减少到1米以下。如今，在这两种情况下，波长多路复用和密集排列(如与多芯光纤相连)的激光阵列被认为是最重要的方法，有望在未来使互连的容量增加10倍或更多。

VCSEL晶圆可以由100多个不同的外延层堆叠而成。通常情况下，需要50个处理步骤才能生产出高性能的VCSEL。由于在一台设备上有多达数千到数万个器件，例如6”晶圆，尽管设计复杂度低，但单个设备的成本却很高。所有已知的标准工艺都是基于晶圆一侧的加工，因此n触点和p触点位于同一侧，从而导致器件的占用面积较大。唯一测试例外是衬底上的背面接触，但是这会导致非常大的寄生效应，从而排除了高频应用。

图14示出了根据现有技术的全工艺非平面衬底粘合VCSEL 100的实施例。该VCSEL100包括层堆叠LS，该层堆叠具有第一接触层7、第一反射器2、有源区AR、中间层、氧化物孔OA、第二反射器1和第二接触层4。层堆叠沉积在用苯并环丁烯BCB12平坦化的衬底3上。接触垫13与第一接触层7和第二接触层4连接。第二接触层4是环形的，以允许VCSEL 100发射辐射P。衬底3通常与具有高导热率的用于除热的载体(图14中未示出)连接。通常通过使用接合线(图14中未示出)实现与驱动器电子设备的电气接触。这些接合线的电感会导致较大的电寄生效应。辐射发射器的制造方法在以下文献中进行了描述：“集成在SiCMOS集成电路(IC)上的低阈值VCSEL(Low Threshold VCSELs Recess-Integrated on SiCMOS ICs)”(Per-kins J.M.等人，Cleo'07.2007Conference on lasers and electro-optics 5-11May 2007Baltimore,MD,USA,OSA,Piscataway,NJ,USA,2007年5月6号，第1-2页，XP031231325,ISBN:978-1-55752-834-6)和“VCSEL与CMOS集成电路的混合集成(Hybridintegration of VCSELs to CMOS integrated circuits)”(R.Pu等人，IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics，1999年4月30日，第201-208页，XP055419847,DOI:10.1109/2944.778285；检索网站：URL:https://www.engr.colostate.edu/ece/faculty/wilmsen/pdf/-journals/124.pdf[于2017-10-27检索])。

制造辐射发射器的另一种方法公开于“高功率高效率VCSEL阵列的研究进展(Progress in high-power high-efficiency VCSEL arrays)”中(Seurin,Spie，PO Box10Bellingham WA 98227-0010USA，2009年1月1日；XP040493522)。

未来高度集成的Si光子发射器需要更有效的传输和集成过程。将成本保持在可接受水平的一个挑战需要在一个工艺步骤中并行传输数千个器件的方法的发展，以取代对单个器件的拾取和放置。

基于上述问题，本发明的目的是提供改进的辐射发射器和改进的制造辐射发射器的方法。

发明内容

本发明的一个示例性实施例涉及一种制造至少一个辐射发射器的方法，包括以下步骤：

在衬底的顶面上沉积蚀刻停止层；

在所述蚀刻停止层上沉积层堆叠；所述层堆叠包括第一接触层、第一反射器、有源区、第二反射器和第二接触层；

局部去除所述层堆叠和所述蚀刻停止层，从而形成至少一个台面，所述至少一个台面包括所述蚀刻停止层的未去除部分和层状柱，所述层状柱基于至少一个台面内未去除的所述层堆叠形成垂直腔面激光器结构；

在所述衬底的顶面上沉积保护材料，从而将整个台面嵌入所述保护材料中，其中所述衬底的背面保持不受保护；

通过施加至少一种蚀刻剂来去除所述衬底，所述至少一种蚀刻剂能够蚀刻所述衬底但不能蚀刻或较少地蚀刻所述蚀刻停止层和所述保护材料；以及

去除所述蚀刻停止层，从而暴露所述至少一个层状柱的第一接触层。

如上所述的实施例可以具有(但不需要具有)以下一个或多个特征，这些特征被认为可以提供进一步的优势，但不是必须具备的。

所述局部去除所述层堆叠和所述蚀刻停止层的步骤还可以包括从所述衬底的顶面局部去除衬底材料，使得所述至少一个台面还包括所述衬底的未去除表面部分。

所述在所述衬底的顶面上沉积所述保护材料的步骤还可以包括将所述衬底的未去除表面部分嵌入所述保护材料中。

优选地，通过所述去除所述蚀刻停止层的步骤，暴露出所述层状柱的第一接触层。

可以在暴露出的所述第一接触层上沉积金属层，所述金属层覆盖所述第一接触层并形成所述层状柱的基座。

所述方法还可以包括提供第二衬底。可以将所述至少一个层状柱的基座直接放置(例如胶合或焊接)在所述第二衬底上，或放置在已经位于所述第二衬底上的至少一个电接触垫上，或放置在已经位于所述第二衬底上的另一装置(例如驱动器)上。

优选地，在安装所述至少一个层状柱之前或之后，在所述第二衬底上布置至少一个电驱动器。

所述至少一个电驱动器可以配置为电驱动所述至少一个层状柱的垂直腔面激光器结构。所述电驱动器可以连接到或承载所述至少一个电接触垫。

优选地，安装所述至少一个层状柱的步骤(例如，将所述层状柱直接放置在所述第二衬底上，或放置在已经位于所述第二衬底上的所述至少一个电接触垫上，或放置在已经位于所述第二衬底上的另一装置上)是在去除所述保护材料之前进行的。

优选地，通过机械地调节所述保护材料与所述第二衬底的相对位置，使所述层状柱的基座与所述电接触垫，然后将所述层状柱的基座安装在所述电接触垫上。

进一步地，在所述保护材料的顶部安装载体，然后通过机械地调节所述载体与所述第二衬底的相对位置，使所述基座与所述电接触垫对齐。

优选地，所述载体和/或所述保护材料对于可见光是透明的。例如，所述载体可以由蓝宝石组成或包括蓝宝石。

所述至少一个层状柱可以本身形成辐射发射器。可选地，辐射发射器可以包括另外的部件，例如如上所述的驱动器和/或不止一个层状柱。

例如，所述局部去除所述层堆叠的步骤包括形成多个台面，每个所述台面包括所述蚀刻停止层的未去除部分和所述层状柱，所述层状柱基于在每个台面内部未去除的层堆叠形成垂直腔面激光器结构。

所述在所述衬底的顶面上沉积所述保护材料的步骤可以包括将所述多个台面嵌入到所述保护材料中。

所述通过施加所述至少一种蚀刻剂来去除所述衬底的步骤优选地包括使所述层状柱彼此分离，从而提供多个独立的包含所述层状柱的垂直腔面激光器结构。

所述局部去除所述层堆叠和所述蚀刻停止层的步骤还可以包括从所述衬底的顶面局部去除衬底材料，使得每个所述台面还包括所述衬底的未去除表面部分。

优选地，所述沉积所述保护材料的步骤还包括嵌入所述衬底的未去除表面部分。

所述去除所述蚀刻停止层的步骤优选地包括暴露所述层状柱的基座。

优选地，为所述第二衬底上的每个层状柱制造至少一个驱动器。

优选地，每个所述驱动器均具有电接触垫，并且每个所述电接触垫在所述第二衬底上的位置与所述保护材料内单独分配的层状柱的位置对应。

优选地，通过机械地地调节所述保护材料与所述第二衬底的相对位置，使所述层状柱的基座与所述电接触垫对齐。

进一步地，所述方法还包括在所述保护材料的顶部安装载体，并且通过机械地调节所述载体与所述第二衬底的相对位置，使所述层状柱的基座与所述电接触垫对齐。

优选地，所述蚀刻停止层由砷化铝(AlAs)材料和/或磷化铝镓(AlGaP)组成，或包含AlAs材料和/或AlGaP。

优选地，所述层堆叠由Ga

优选地，所述保护材料为树脂。

优选地，所述载体由蓝宝石和/或碳化硅组成，或包含蓝宝石和/或碳化硅。

优选地，所述用于去除所述衬底的所述至少一种蚀刻剂由H

优选地，所述局部去除所述层堆叠和所述蚀刻停止层的步骤包括干法蚀刻，优选为基于氯气和/或溴气的干法蚀刻。

所述局部去除所述层堆叠和所述蚀刻停止层的步骤可以包括形成阶梯状台面，所述阶梯状台面至少包括具有不同横截面的上台面部分和下台面部分。

优选地，所述至少一个辐射发射器的垂直腔面激光器结构制造成通过所述第一反射器和/或第二反射器发射辐射。

优选地，所述保护材料对于可见光是透明的。

优选地，所述载体对于可见光是透明的。

本发明的另外一个实施例涉及一种辐射发射器，其包含至少两个单独的无衬底层状柱，其中每个无衬底层状柱均形成自包含的垂直腔面激光器结构；所述无衬底层状柱是完全相同的分离式层堆叠片。

优选地，采用如上所述方法制造辐射发射器。

所述辐射发射器可以包括其上安装有多个层状柱的衬底，所述层状柱的上方可以布置有多芯光纤。所述多芯光纤的每个纤芯可以分别分配给层状柱。在操作过程中，所述层状柱可以产生辐射，所述辐射耦合到所述多芯光纤的单独分配的纤芯中。

附图说明

为了容易理解获得本发明的上述和其他优点，将通过参考本发明的具体实施例和附图对本发明进行更具体的描述。应当理解的是这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应认为是对本发明范围的限制。将结合附图进行更加详细的描述和解释本发明，其中：

图1-6示出了根据本发明的一种制造无衬底辐射发射器的方法的第一示例性实施例。

图7-9示出了根据本发明的制造多个无衬底辐射发射器且并联安装的方法的第二示例性实施例

图10-13示出了根据所制造的设备的照片和显微照片。

图14示出了根据现有技术的与衬底粘合的辐射发射器。

图15示出了不同材料的导热率。

图16示出了典型的固有小信号响应，受热效应影响的小信号响应以及受热效应和寄生效应影响的小信号响应。

具体实施方式

参考附图，将以最佳方式理解本发明的优选实施例。其中，全文相同或类似的部件用相同的附图标记表示。

容易理解，本发明的实施例的参数可以在一个宽的范围内变化。因此，以下对本发明实施例的更详细描述并不限制本发明的范围，而仅是本发明的优选实施例。

图1至图6示出了根据本发明的一种制造VCSEL形式的辐射发射器的方法的示例性实施例。

图1示出了沉积在衬底3的顶面上的蚀刻停止层5和层堆叠LS。该层堆叠LS包括第一接触层7(优选为高度n掺杂层)、第一反射器2、有源区AR、中间层、氧化物孔OA、第二反射器1和第二接触层4(优选为高度p掺杂层)。第一反射器2和第二反射器1优选为DBR反射器。优选地，第一反射器2和第二反射器1以及有源区AR分别包括本领域已知的多个层。第一接触层7和第二接触层4可以由单层和/或堆叠的子层组成。有源区AR内的氧化物孔OA可以在激光结构的操作过程中在其完成时引导电流和光。

图2示出了通过局部去除层堆叠LS(参见图1)和蚀刻停止层5而形成的台面。该台面包括具有不同横截面的上台面部分和下台面部分。

该台面由蚀刻停止层5的未去除部分和层状柱LP组成，层状柱LP基于台面内部未去除的层堆叠LS(见图1)形成垂直腔面激光器结构。优选地，台面是干法蚀刻的，例如基于反应离子蚀刻(RIE)。优选地，在牺牲的蚀刻停止层5下方的衬底3内部停止蚀刻。

图3示出了在衬底3的顶面上沉积保护材料8并且将整个台面嵌入保护材料8中之后的图2结构。衬底3的背面保持不被保护。保护材料8可以是抗后续湿蚀刻的树脂。树脂的优点是在完成制造过程后，可以通过在溶剂中加热将其完全去除。优选地，为了对台面侧壁的可靠覆盖，保护材料8的粘度优选为很低。在固化之后，保护材料8应该足够坚固，从而能够可靠地支撑和承载层状柱LP。

如图3所示的示例性实施例中，将载体6安装在固化的保护材料8的顶部。优选地，载体6由透明材料组成，例如蓝宝石。载体6抵抗随后施加的蚀刻剂，并且避免保护材料8的拉伸、弯曲和破坏。

图4示出了通过湿法蚀刻工艺或减薄后再进行湿法蚀刻的组合工艺完全去除衬底3直到暴露出蚀刻停止层5之后的图3结构。然后，去除(例如，蚀刻)蚀刻停止层5，并且暴露出层状柱LP的第一接触层7。

图5示出了在暴露出的第一接触层7上沉积金属层9之后的无衬底层状柱LP。此时，无衬底层状柱LP的基座由金属层9形成。

图5的无衬底层状柱LP被完全处理并形成自包含的垂直腔面激光器结构110。自包含的垂直腔面激光器结构110的占用面积(横截面尺寸)比现有技术的VCSEL小一个数量级。

层状柱LP的基座可以使用大量现有的粘合技术(粘合剂、焊接、热压、超声)进行粘合。由于用于承载层状柱LP的所有材料(例如，保护材料8和载体6)优选为透明的，因此层状柱LP可以高精度地安装在第二衬底10上，如图5中的箭头X所示。

第二衬底10可以包括接触件11和(例如Si基)驱动器芯片。在将层状柱LP的基座粘合到第二衬底10上之后，可以去除载体6和保护材料8。图6示出了对齐并粘合到第二衬底10的电接触垫11上的自包含垂直腔面激光器结构110。通过向自包含的垂直腔面激光器结构110的第一接触层7和第二接触层4注入电流，可以激活有源区AR以产生光辐射P；优选地，该光辐射P可以通过第一反射器2离开自包含的垂直腔面激光器结构110。

图1-6示出了单个层状柱LP和一个自包含的垂直腔激光结构110。可以将多个层状柱LP蚀刻到图1的层堆叠LS和蚀刻停止层5中。优选地，层状柱LP以二维模式安装，该二维模式与将焊盘和/或驱动器安装在第二衬底10上的二维模式对应。

图7示出了设置有多个层状柱LP的衬底3的俯视图。

图8示出了保护层8的背面，该保护层在去除衬底3之后承载图7的层状柱LP。图中可以看到无衬底层状柱LP的基座。

图9示出了(第二)衬底10，如参考图1-8所述的，其上安装了多个层状柱LP。在层状柱LP上方布置有多芯光纤200。多芯光纤200的每个纤芯210分配给层状柱LP。在操作过程中，层状柱LP产生辐射P，辐射P耦合到多芯光纤200的单独分配的纤芯210中。

图10示出了在蚀刻衬底后嵌入蜡中的256个激光器的照片，其顶部是蓝宝石衬底。

图11示出了12个具有不同台面尺寸和600μm间距的激光器的底侧金属化照片。

图12示出了直径为56μm的金属化台面的底侧照片。

图13示出了激光的顶侧显微照片(透过蓝宝石载体观察)，其嵌入蜡中的占用面积为56μm。

与现有技术相比，如上所述的本发明的优选实施例将激光器的占用面积减小了至少一个数量级(参见图14)，同时可以使每个设备的成本降低相同的数量级。这主要是通过除去衬底3和独立地从两侧接触激光器来实现的。占用面积的减少使设备密度增加，从而匹配多芯光纤的几何形状，并使光子设备与驱动器易于异质集成，从而实现了高比特率、高能效的发射器模块。

将器件从其生长的衬底(例如，GaAs)上分离以及沉积在导热性更大的Si或甚至Cu上(参见图15)来改善它们的热性能，使得通常限制输出功率的热翻转(thermal roll-over)在很大的电流处发生，并且同时增加截止频率和最大比特率。此外，将激光器沉积在驱动器上或至少减小与驱动器的距离可以消除粘合线或减少其长度和数量，可以大大减少寄生现象，从而再次提高截止频率和最大比特率。这两个优点共同使其能够达到3dB截止频率的固有极限，而这是迄今为止难以达到的。图16示出了典型的固有小信号响应，受热效应影响的小信号响应以及受热效应和寄生效应影响的小信号响应。

本文公开的本发明的各个实施例和方面不仅要以在本说明书中具体描述的顺序和上下文来理解，而且要包括其任何顺序和任何组合。根据实际需要，本发明中以单数使用的所有词应被视为包括复数，反之亦然。根据实际需要，与“和”一起列出的所有选项应被视为包括“或”及其任何组合，反之亦然。

在附图和说明书中，已经公开了本发明的多个实施例。需要强调的是每个实施例的每个特征可以与任何其他实施例组合或添加到任何其他实施例中，以便修改相应实施例并产生另外的实施例。这些另外的实施例形成本公开的一部分，因此，申请人可以在后面审查阶段进一步提交关于这些另外的实施例的专利权利要求。

此外，需要强调的是，以下每一个从属权利要求中的每个特征可以与本发明独立权利要求中的任何一个特征以及与本发明从属权利要求中的任何其他(一个或多个)特征进行组合(不论本权利要求所保护的结构)。因此，申请人可以在后面的审查阶段对其他权利要求组合提出进一步的专利权利要求。