竖直腔面发射激光装置与制作微透镜的方法

技术领域

本发明的实施例是关于一种竖直腔面发射激光装置与制作微透镜的方法。

背景技术

激光二极管用于多种类型的现代装置中。竖直腔面发射激光(vertical cavitysurface emitting laser，VCSEL)是用于新一代激光二极管的一个有前景的选择。相较于例如边缘发射装置的当前激光二极管，来自VCSEL的发射竖直于装置的平面且因此其可使用标准处理技术进行处理。此外，来自VCSEL装置的有利发射允许在单一晶片上产生大量激光。

发明内容

本发明的一些实施例提供一种竖直腔面发射激光(VCSEL)装置，其特征在于，包括：反射层堆叠，包括第一材料和第二材料的交替反射层；以及微透镜堆叠，布置在所述反射层堆叠上方且包括：第一透镜层，包括第一元素的第一平均浓度且具有第一宽度；第二透镜层，布置在所述第一透镜层上方且包括大于所述第一平均浓度的所述第一元素的第二平均浓度且具有小于所述第一宽度的第二宽度；以及第三透镜层，布置在所述第二透镜层上方且包括大于所述第二平均浓度的所述第一元素的第三平均浓度且具有小于所述第二宽度的第三宽度。

此外，本发明的其他实施例提供一种竖直腔面发射激光(VCSEL)装置，其特征在于，包括：反射层堆叠，包括交替堆叠的多个第一反射层以及多个第二反射层，其中所述多个第一反射层包括第一组合物且所述多个第二反射层包括与所述第一组合物不同的第二组合物；以及微透镜堆叠，包括由氧化透镜层横向包围的透镜层，所述氧化透镜层横向接触所述反射层堆叠正上方的侧壁间隔物，其中所述透镜层包括：最底部透镜层，具有第一最大宽度；中间透镜层，具有小于所述第一最大宽度的第二最大宽度；以及最顶部透镜层，具有小于所述第二最大宽度的第三最大宽度。

另外，本发明的其他实施例一种制作用于竖直腔面发射激光(VCSEL)装置的微透镜的方法，其特征在于，所述方法包括：在第二反射层上方形成第一透镜层且包括第一元素的第一平均浓度；在所述第一透镜层上方形成第一额外反射层；在所述第一额外反射层上方形成第二透镜层且包括大于所述第一平均浓度的所述第一元素的第二平均浓度；在所述第二透镜层上方形成第二额外反射层；以及执行氧化工艺来氧化所述第一透镜层和所述第二透镜层的外围部分以形成所述第一透镜层的氧化外围部分以及所述第二透镜层的氧化外围部分，其中所述第二透镜层的所述氧化外围部分比所述第一透镜层的所述氧化外围部分更宽。

附图说明

结合附图阅读以下详细描述会最佳地理解本发明的实施例的各个方面。应注意，根据业界中的标准惯例，各个特征未按比例绘制。实际上，为了论述清楚起见，可任意增大或减小各个特征的尺寸。

图1A和图1B示出具有自对准微透镜的VCSEL装置的一些实施例的横截面视图，所述自对准微透镜包括由氧化透镜层包围的透镜层。

图2示出具有耦接至晶体管的自对准微透镜的VCSEL装置的一些额外实施例的横截面视图。

图3到图19示出使用氧化工艺形成用于VCSEL装置的自对准微透镜的方法的一些实施例的横截面视图。

图20示出对应于图3到图19的方法的一些实施例的流程图。

具体实施方式

以下公开内容提供用于实施所提供主题的不同特征的多个不同实施例或实例。下文描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些只是实例且并不意欲为限制性的。举例来说，在以下描述中，第一特征在第二特征上方或上的形成可包含第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，并且还可包含额外特征可形成于第一特征与第二特征之间从而使得第一特征与第二特征可不直接接触的实施例。另外，本发明的实施例可在各种实例中重复附图标号和/或字母。此重复是出于简化和清楚的目的，且本身并不规定所论述的各种各种实施例和/或配置之间的关系。

此外，为了易于描述，在本文中可使用例如“在…下面”、“在…下方”、“下部”、“在…上方”、“上部”等等的空间相关术语，以描述如图中所示出的一个元件或特征相对于另一元件或特征的关系。除图中所描绘的定向外，空间相对术语意图涵盖装置在使用或操作中的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)，且本文中所使用的空间相关描述词因此可同样地进行解释。

竖直腔面发射激光(VCSEL)装置包含分布式布拉格反射器(distributed Braggreflectors，DBR)堆叠和布置在顶部电极与底部电极之间的光学有源区。DBR堆叠包括交替的第一反射层和第二反射层。在VCSEL装置的操作期间，可在顶部电极和底部电极两端施加偏压，其使得光学有源区发射光。光通过第一反射层和第二反射层多次反射，且由于干扰影响，一些光模式和/或频率由相长干扰扩大，而其它模式和/或频率由相消干扰衰减。通过这种方式，在第一反射层与第二反射层之间的多次反射后，引导光穿过光学孔口(例如，安置于DBR堆叠内的光学不透明材料内的开口，具有与DBR堆叠的层不同折射率的聚集材料内的开口)，且在竖直于第一反射层和第二反射层的方向穿过微透镜发射聚焦激光。

通常，在制造VCSEL装置期间，微透镜是通过DBR堆叠单独地制造，且随后对准并接合到DBR堆叠的顶面。在DBR堆叠上方对准微透镜确保激光在发射时经聚焦。然而，通常精密对准有难度且微透镜在DBR堆叠上方未对准。举例来说，在一些实施例中，光学孔口在DBR堆叠内以辅助光聚焦，且微透镜可变得不与光学孔口对准。此外，在一些实施例中，利用接合材料(例如胶)将微透镜接合到DBR堆叠，所述接合材料可能干扰(例如吸收、重新引导等)光聚焦。因此，由于微透镜与DBR堆叠之间的未对准和/或界面，所发射激光可能力度不够、散焦和/或误定向。

本发明的各种实施例涉及一种在DBR堆叠上方形成集成微透镜的自对准微透镜工艺。所述方法在DBR堆叠上方形成具有额外第一反射层和第二反射层的微透镜堆叠。额外第一反射层包括易氧化的第一元素(例如铝)。去除微透镜堆叠的外围部分，接着进行氧化工艺，所述氧化工艺使得额外第一反射层的外围部分氧化且限定由经氧化透镜层横向包围的透镜层。额外第一反射层中的最顶部反射层氧化超过额外第一反射层中的最底部反射层(这是因为第一反射层中的最顶部反射层具有比第一反射层中的最底部反射层更高的第一元素的浓度)，以使透镜层呈锥形形状。透镜层与氧化透镜层之间的折射率的差值使得透镜层共同地充当聚焦由下伏DBR堆叠产生的辐射的透镜。侧壁间隔物随后沿微透镜堆叠的侧边形成，随后进行第二蚀刻工艺，所述第二蚀刻工艺根据侧壁间隔物来蚀刻DBR堆叠。通过根据侧壁间隔物蚀刻DBR堆叠，透镜层限定在DBR堆叠上方自动对准的透镜，进而减小未对准误差。

图1A示出包括自对准微透镜的VCSEL装置的一些实施例的横截面视图100A。

横截面视图100A中的VCSEL装置包含反射层堆叠102，所述反射层堆叠包括由光学有源区118间隔开的下部分布式布拉格反射器(DBR)区106和上部DBR区108。在一些实施例中，可将反射层堆叠102安置于第一导电层110上方的第二导电层112上方，所述第一导电层被配置成将反射层堆叠102电性耦接到下伏半导体衬底101内的一或多个装置(例如晶体管)。下部DBR区106和上部DBR区108包括在第一反射层114与第二反射层116之间交替的第一多个堆叠层。在一些实施例中，下部DBR区106、上部DBR区108以及光学有源区118具有由下部侧壁间隔物122包围的最外部侧壁。在一些实施例中，DBR区106进一步包括横向地包围第一反射层114或第二反射层116中的一或多个的聚焦层120。聚焦层120具有限定光学孔口121的侧边，由于聚焦层120、第一反射层114与第二反射层116之间的折射率差值，所述光学孔口被配置成朝向反射层堆叠102的中心引导反射光。在其它实施例中，可省略聚焦层120。

微透镜堆叠104布置在上部DBR区108上方。在一些实施例中，可将微透镜堆叠104安置到反射层堆叠102内的第二反射层116的最上部反射层116u上。微透镜堆叠104包括在透镜层124与额外第二反射层125之间交替的第二多个堆叠层。在一些实施例中，额外第二反射层125可以是与第二反射层116相同的材料，而在其它实施例中，额外第二反射层125可以是与第二反射层116不同的材料。在一些实施例中，微透镜堆叠104中的额外第二反射层125比反射层堆叠102中的第二反射层116更窄。透镜层124由具有不同宽度的氧化透镜层126横向地包围。氧化透镜层126具有与透镜层124不同的折射率。氧化透镜层126包括与添加氧的透镜层124相同的材料。举例来说，在一些实施例中，透镜层124可包括砷化铝镓，而氧化透镜层126可包括氧化砷化铝镓。

透镜层124包括最顶部透镜层124t，所述最顶部透镜层的最大宽度小于最底部透镜层124b的最大宽度。此外，在一些实施例中，透镜层124可具有弯曲的最外部侧壁。在其它实施例中，透镜层124的最外部侧壁可以是倾斜的。尽管如此，每一透镜层124具有大于最顶部表面的最底部表面且可类似于梯形形状。此外，在一些实施例中，额外第二反射层125的最大宽度可大于最底部透镜层124b的最大宽度。

在一些实施例中，微透镜堆叠104中的透镜层124、额外第二反射层125以及氧化透镜层126可由上部侧壁间隔物128包围。在一些实施例中，微透镜堆叠104的最顶部表面可以是额外第二反射层125的最顶部反射层125t，使得可发射聚焦激光穿过额外第二反射层125的最顶部反射层125t。在一些实施例中，微透镜堆叠104可大体上在聚焦层120的光学孔口121上方居中，使得光学孔口121和微透镜堆叠104均朝向最顶部透镜层124t的中心引导光，以发射聚焦激光。

在操作期间，当在反射层堆叠102两端施加偏压时，可通过光学有源区118产生光130(例如电磁辐射)且反射穿过上部DBR区108和下部DBR区106，以发射聚焦激光穿过与光学孔口121对准的微透镜堆叠104。随着光130进入微透镜堆叠104中，光130将以一定入射角度与透镜层124与氧化透镜层126之间的界面相交。由于透镜层124和氧化透镜层126具有不同折射率，因此光130将以根据斯涅尔定律(Snell's law)限定的一折射角度离开所述界面。透镜层124与氧化透镜层126之间的成角度的(例如弯曲)界面使得光130以不同入射角度与界面相交。不同入射角使得离开界面的光具有不同折射角，所述折射角将光130聚焦于焦点132处，使得微透镜堆叠104充当透镜。

在一些实施例中，透镜层124包括与第一反射层114相同的材料，但相较于第一反射层114，透镜层124中的不同者具有可氧化第一元素(例如铝、铟、铁或其类似物)的变化且不同的浓度。由于透镜层124中的不同层内的可氧化第一元素的变化的浓度，氧化工艺可使透镜层124中的不同层形成为具有不同宽度(例如，第一元素的更高浓度可能代表更高氧化速率导致产生更窄宽度透镜层124)。此外，使用顶部侧壁间隔物作为用于下伏反射层堆叠102的掩模允许通过自对准工艺形成透镜层124，所述所述透镜层在反射层堆叠102上方居中。通过利用自对准工艺形成微透镜堆叠104，消除了反射层堆叠102与微透镜堆叠104之间的未对准。此外，最底部透镜层124b可与上部DBR区108中的第二反射层116中的最上部反射层116u直接接触而无需接合材料，使得接合材料不会干扰光。因此，微透镜堆叠104与反射层堆叠102自对准，使得横截面视图100A中的VCSEL装置发射聚焦且可靠的激光。

图1B示出对应于图1A的微透镜堆叠104的一些实施例的横截面视图100B。

在一些实施例中，微透镜堆叠104包含例如通过额外第二反射层125彼此分离的六个透镜层124。在其它实施例中，微透镜堆叠104可包含大于或小于六个透镜层124。此外，在一些实施例中，微透镜堆叠104中的透镜层124的总数与额外第二反射层125的总数的比率可以是一比一。

在一些实施例中，透镜层124可包括包含易氧化的第一元素的第一材料或第一组合物，然而额外第二反射层125可包括第二材料或第二组合物，所述第二材料或第二组合物包含除第一元素外的第一材料或第一组合物。举例来说，在一些实施例中，透镜层124可包括砷化铝镓，其中第一元素是铝，然而额外第二反射层125包括砷化镓。此外，在一些实施例中，氧化透镜层126可包括添加氧的第一材料。举例来说，在一些实施例中，氧化透镜层126包括氧化砷化铝镓(例如氧化铝砷化镓)。在一些实施例中，透镜层124包括与第一反射层114相同的材料，但相较于第一反射层114，透镜层124具有第一元素的变化的浓度。因此，在一些实施例中，第一反射层(图1A的第一反射层114)还可包括第一材料，例如砷化铝镓。在其它实施例中，第一反射层(图1A的第一反射层114)可包括与第一材料和第二材料不同的第三材料。举例来说，在一些实施例中，第三材料可包含III-V元素组合，例如砷化铟镓。类似地，在一些实施例中，第二反射层(图1A的第二反射层116)可包括第二材料，进而包括与额外第二反射层125相同的材料，然而在其它实施例中，第二反射层(图1A的第二反射层116)可包括与第二材料不同的第四材料。

在一些实施例中，微透镜堆叠104中的透镜层124的每一层可包括从每一透镜层124的底面到顶面增大的第一元素的浓度梯度。在一些实施例中，透镜层124的每一层的厚度可以相等或约相等且具有第一元素的浓度的相同变化。然而，在一些实施例中，透镜层124的每一层具有第一元素的不同平均浓度，使得相较于最底部透镜层124b，最顶部透镜层124t包括第一元素的更高平均浓度。

举例来说，在一些实施例中，最底部透镜层124b可在底面处具有等于大约88％的最小摩尔分数(mole fraction)的第一元素且在顶面处具有等于大约89％的最大摩尔分数的第一元素。此外，在一些实施例中，第二透镜层124c可在底面处具有等于大约89％的最小摩尔分数的第一元素且在顶面处具有等于大约90％的最大摩尔分数的第一元素。此外，在一些实施例中，第三透镜层124d可在底面处具有等于大约90％的最小摩尔分数的第一元素且在顶面处具有等于大约91％的最大摩尔分数的第一元素。此外，在一些实施例中，第四透镜层124e可在底面处具有等于大约91％的最小摩尔分数的第一元素且在顶面处具有等于大约92％的最大摩尔分数的第一元素。此外，在一些实施例中，第五透镜层124f可在底面处具有等于大约92％的最小摩尔分数的第一元素，且在顶面处具有等于大约93％的最大摩尔分数的第一元素。此外，在一些实施例中，最顶部透镜层124t可在底面处具有等于大约93％的最小摩尔分数的第一元素，且在顶面处具有等于大约94％的最大摩尔分数的第一元素。

在其它实施例中，最顶部透镜层124t可具有例如高达98％的最大摩尔分数的第一元素。尽管如此，在一些实施例中，透镜层124的每一层具有从透镜层124的每一层的底面到透镜层124的每一层的顶面的第一元素的变化的浓度。通过增大易氧化的第一元素的浓度，氧化速率从透镜层124的每一层的底面到顶面增大。举例来说，在一些实施例中，最顶部透镜层124t具有微透镜堆叠104中最高氧化速率的顶面，然而最底部透镜层124b具有微透镜堆叠104中具有最低氧化速率的底面。因此，由于透镜层124在微透镜堆叠104中同时经历相同氧化工艺，因此最顶部透镜层124t比第五透镜层124f、第四透镜层124e、第三透镜层124d、第二透镜层124c以及最底部透镜层124b氧化更快。氧化工艺可形成包围透镜层124的氧化透镜层126。在一些实施例中，相较于微透镜堆叠104中的其它透镜层124，最顶部透镜层124t由于其较高氧化速率而具有最小最大宽度。由于最底部透镜层124b在微透镜堆叠104中具有最低氧化速率，因此相较于微透镜堆叠104中的其它透镜层124，最底部透镜层124b具有最大的最大宽度。在一些实施例中，额外第二反射层125不包括第一元素，且因此不会经历氧化。因此，微透镜堆叠104中的额外第二反射层125比透镜层124更宽。在一些实施例中，顶面与底面之间的长度差从最底部透镜层124b到最顶部透镜层124t增大，其可能是因第一元素的浓度与氧化速率之间的指数关系所导致。

此外，由于透镜层124的每一层从底面到顶面具有第一元素的不断增大的浓度，因此透镜层124的每一层的最外部侧壁可以是大体上弯曲的。举例来说，在一些实施例中，透镜层124的每一层可具有比底面更窄的顶面，且可具有从底面到顶面连续弧形的最外部侧壁。此外，在一些实施例中，关于透镜层124的底面，透镜层124的最外部侧壁向下凹入(例如，具有随距底层的距离减小的斜率)。在其它实施例中，透镜层124的最外部侧壁可以是更直线的而非弯曲的。因此，在一些实施例中，透镜层124可一起展现类半圆(semi-circle-like)形状，然而在其它实施例中，透镜层124可一起展现梯形形状。在一些实施例中，个别地，透镜层124可各自展现梯形形状。透镜层124一起引导光并发射聚焦激光穿过最顶部透镜层124t。

图2示出具有耦接至晶体管结构的自对准微透镜的VCSEL装置的一些其它实施例的横截面视图200。

在一些实施例中，晶体管228安置于半导体衬底101上方且耦接至互连结构220。晶体管228可以是例如金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductorfield-effect transistor，MOSFET)且包括上覆栅极介电质的栅极电极以及安置在所述栅极电极的相对端上的源极/漏极区。在一些实施例中，互连结构220包括互连导线226、互连通孔224以及嵌入于下部层间介电(lower inter-level dielectric，ILD)结构212内的接触垫222。在一些实施例中，第一导电层110接合到底部电极218，且底部电极218耦接到接触垫222和互连导线226中的一个。接触垫222和互连导线226可将底部电极218耦接到一些其它半导体装置(例如晶体管)。在一些实施例中，顶部电极接触件204耦接到第二反射层116的最上部反射层116u。在一些实施例中，顶部电极接触件204包围微透镜堆叠104。可通过导电通孔206和互连结构220将顶部电极接触件204耦接到晶体管228。在一些实施例中，导电通孔206安置于上部ILD结构208内。在操作期间，可通过底部电极218和顶部电极接触件204在反射层堆叠102两端施加偏压，以在光学有源区118内产生光。

图3到图19示出形成包括自对准微透镜的VCSEL装置的方法的一些实施例的横截面视图300到横截面视图1900。尽管相对于方法描述图3到图19，但应了解，图3到图19中所公开的结构不限于这种方法，但取而代之，可单独作为独立于所述方法的结构。

如图3的横截面视图300中所示，第二导电层112形成于载板衬底302上的第一导电层110上方。在一些实施例中，第二导电层112包括导电材料，例如镍、金、铜或其类似物，且第一导电层110可包括导电材料，例如金。因此，在一些实施例中，第一导电层110和第二导电层112可包括相同材料，而在其它实施例中，第一导电层110和第二导电层112可包括不同材料。在一些实施例中，第一导电层110可具有在例如大约50纳米与大约800纳米之间的范围内的厚度。在一些实施例中，第二导电层112可具有在例如大约50纳米与大约500纳米之间的范围内的厚度。

在一些实施例中，通过替代地形成第一反射层114和第二反射层116而在第二导电层112上方形成下部DBR区106。光学有源区118可形成于下部DBR区106上方，且上部DBR区108可形成于光学有源区118上方，使得下部DBR区106、光学有源区118以及上部DBR区108形成反射层堆叠102。在一些实施例中，第一反射层114和第二反射层116中的每一个具有在例如大约4纳米与大约100纳米之间的范围内的厚度。在一些实施例中，第一反射层114和第二反射层116的厚度约相等。

在一些实施例中，第一反射层114可各自包括第一材料，例如砷化铝镓或砷化铟镓，而第二反射层116可包括砷化镓。在一些替代实施例中，第一反射层114中的不同者可包括不同材料，例如砷化铝镓和砷化铟镓。在一些实施例中，可通过外延生长工艺形成第一反射层114和第二反射层116。在一些实施例中，第一反射层114中的铝或铟的摩尔分数可在例如大约40％与大约100％之间的范围内。在一些实施例中，反射层堆叠102中的第一反射层114中的每一个可具有大致相同的第一元素(例如铝或铟)的浓度。在一些实施例中，除具有第一元素(例如铝或铟)的增大浓度外，光学有源区118可包括与第一反射层114相同的材料。举例来说，在一些实施例中，光学有源区118包括至少98％铝，而镓和砷的保持浓度可为最多2％。在一些实施例中，光学有源区118可具有在大约1纳米与大约20纳米之间的范围内的厚度。在一些实施例中，第一反射层114和第二反射层116是透明的以允许光通过整个反射层堆叠102。

在一些实施例中，反射层堆叠102可包括聚焦层120，所述聚焦层将光学孔口121限定于光学有源区118上方且因此在上部DBR区108内。在其它实施例中，聚焦层120可以在下部DBR区106内且在光学有源区118下方。在又其它实施例中，可省略聚焦层120。在存在聚焦层120的实施例中，聚焦层120可包围第一反射层114和/或第二反射层116中的一个以引导反射光穿过聚焦层120中的光学孔口121。

在一些实施例中，微透镜堆叠104形成于反射层堆叠102上方且可包括透镜层124和额外第二反射层125的交替层。在一些实施例中，额外第二反射层125可包括与第二反射层116相同的第二材料。在其它实施例中，额外第二反射层125可包括与第二反射层116不同的材料。举例来说，在一些实施例中，额外第二反射层125可包括砷化镓，而第二反射层116可包括砷化铟。在一些实施例中，透镜层124包括与第一反射层114相同的第一材料。透镜层124还可以是透明的以允许反射光通过。在其它实施例中，透镜层124可包括与第一反射层114不同的材料。举例来说，在此类实施例中，透镜层124可包括具有变化的铝浓度的砷化铝镓，而第一反射层114包括砷化铟镓。透镜层124中的第一元素(例如铝)可能易氧化以形成氧化物(例如氧化铝)。尽管如此，在一些实施例中，透镜层124各自具有在例如大约4纳米与大约100纳米之间的范围内的相等厚度。透镜层124中的铝浓度可在大约60％与大约100％之间的范围内变化。还可通过例如外延生长形成透镜层124，使得使用相同工艺方法(例如外延生长)形成透镜层124、额外第二反射层125以及第一反射层114而无需在反射层堆叠102与微透镜堆叠104之间使用接合材料。

在一些实施例中，透镜层124中的每一个可彼此具有第一元素的不同平均浓度。透镜层124中的每一个的平均浓度可从最底部透镜层124b到最顶部透镜层124t增大。每一个别透镜层124还可以具有从每一透镜层124的底面到每一透镜层124的顶面增大的第一元素的浓度梯度。每一透镜层124的底面与顶面之间的浓度改变可在每一透镜层124当中相等。举例来说，在一些实施例中，最底部透镜层124b和最顶部透镜层124t可各自具有大于其厚度例如大约2％的浓度改变。在一些实施例中，可通过在外延生长工艺期间调整用于第一元素的相关源材料来调整第一元素(例如铝)的浓度。在一些实施例中，微透镜堆叠104的最顶部层可包括额外第二反射层125的最顶部反射层125t。

在一些实施例中，透镜层124中的第一元素的浓度改变可改变透镜层124中的折射率。举例来说，在一些实施例中，透镜层124可包括砷化铝镓，其中铝是所述第一元素。砷化铝镓的折射率可在大约3.0与大约3.5之间的范围内。砷化铝镓中的高铝浓度对应于低折射率，而铝砷化镓中的低铝浓度对应于高折射率。因此，随着铝浓度从每一透镜层124的底面到每一透镜层124的顶面增大，折射率可从每一透镜层124的底面到每一透镜层124的顶面减小。

如图4的横截面视图400中所示，遮蔽层402可形成于额外第二反射层125的最顶部反射层125t上方。在一些实施例中，遮蔽层402可包括由旋涂工艺形成的感光材料(例如光阻)。可使用光刻来图案化感光材料以在微透镜堆叠104和反射层堆叠102的中心区域上方形成遮蔽层402。在一些实施例中，遮蔽层402在聚焦层120的光学孔口121上方居中，且微透镜堆叠104的外部部分404被揭开。在一些实施例中，遮蔽层402可包括光阻或清晰的一些其它聚合物。

如图5的横截面视图500中所示，可执行第一竖直蚀刻工艺502来去除微透镜堆叠104的外部部分(图4的外部部分404)。在一些实施例中，第一竖直蚀刻工艺502是干式蚀刻工艺且可经控制以去除微透镜堆叠104的外部部分(图4的外部部分404)中的每一层。因此，在一些实施例中，第一竖直蚀刻工艺502可经控制以在反射层堆叠102中的第二反射层116的最上部反射层116u处终止。举例来说，在一些实施例中，第一竖直蚀刻工艺502可包括干式蚀刻工艺，所述干式蚀刻工艺利用氯气和氟气来去除微透镜堆叠104中的每一透镜层124的外部部分和每一额外第二反射层125的外部部分。在第一竖直蚀刻工艺502后，剩余微透镜堆叠104可大体上在聚焦层120中的光学孔口121上方居中。

如图6A的横截面视图600A中所示，可执行氧化工艺602以形成包围透镜层124的氧化透镜层126。在一些实施例中，氧化工艺602可以是在高温下使用水的湿式氧化工艺。在一些实施例中，高温为至少400摄氏度。在其它实施例中，氧化工艺602可以是深氢氟酸湿式氧化工艺(deep hydrofluoric wet oxidation process)。氧化工艺602利用湿式溶液以在横向方向上高效地氧化透镜层124。由于透镜层124包括易氧化的第一元素，但额外第二反射层125不包括第一元素或易氧化的任一元素，因此透镜层124的外围部分经氧化以形成氧化透镜层126，而额外第二反射层125保持大体上不受氧化工艺602影响。

在一些实施例中，氧化工艺602可在相同时间但以不同速率高效地氧化透镜层124。因透镜层124中的第一元素的浓度梯度所致，氧化速率从最底部透镜层124b到最顶部透镜层124t增大。此外，由于每一透镜层124具有从每一透镜层124的底面到顶面的浓度梯度，因此底面比每一透镜层124的顶面更宽。在一些实施例中，例如从横截面视图600A的角度，透镜层124的侧边可以是大体上弯曲或平坦的。

取决于第一元素与湿式溶液之间的关系，在一些实施例中，第一元素的氧化速率随着第一元素的浓度以指数方式增大，而在其它实施例中，第一元素的氧化速率随着第一元素的浓度以线性方式增大。额外第二反射层125充当阻挡层以防止氧化工艺602氧化透镜层124的顶面和底面。此外，第二反射层116的最上部反射层116u保护上部DBR区108和下部DBR区106免受氧化工艺602。在一些实施例中，额外第二反射层125和透镜层124是清晰或透明的。在一些实施例中，氧化透镜层126可以是清晰的，且在其它实施例中，氧化透镜层126可以是半透明的。氧化工艺602后，氧化透镜层126可包括氧化铝，其具有大约1.8的折射率。在一些实施例中，氧化透镜层126还可包括砷化镓，使得氧化透镜层126的组合物可以是氧化铝砷化镓。氧化透镜层126的折射率可与额外第二反射层125和透镜层124的折射率不同以高效地引导光并产生聚焦激光。

图6B的横截面视图600B示出可对应于图6A的框A的氧化透镜层126和额外第二反射层125的一些实施例。在一些实施例中，因始于氧化工艺(图6A的氧化工艺602)的延伸所致，氧化透镜层126可横向地向外突出超过额外第二反射层125的最外部侧壁125s。在一些实施例中，氧化透镜层126的上部氧化透镜层可具有最外部侧壁，所述最外部侧壁向外突出超过额外第二反射层125中的最外部侧壁125s达第一距离d

图6C的横截面视图600C示出可对应于图6A的框A的氧化透镜层126和额外第二反射层125的一些替代实施例。在一些实施例中，氧化透镜层126可具有最外部侧壁126s，所述最外部侧壁关于氧化透镜层126的底面向上凹入。换句话说，在一些实施例中，氧化透镜层126中的上部氧化透镜层可具有上表面，所述上表面突出超过额外第二反射层125的最外部侧壁125s达第一距离d

如图7的横截面视图700中所示，在一些实施例中，第一间隔物层702可沉积在反射层堆叠102、微透镜堆叠104以及遮蔽层402上方。在一些实施例中，第一间隔物层702包括介电质，例如氮化硅、碳化硅或其类似物。在一些实施例中，可通过沉积技术(例如，物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)、化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、PE-CVD、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)等)来沉积第一间隔物层702。

如图8的横截面视图800中所示，在一些实施例中，可选择性地对第一间隔物层(图7的第一间隔物层702)执行第二竖直蚀刻工艺804，以形成第一上部侧壁间隔物802。在一些实施例中，第一上部侧壁间隔物802由于第二竖直蚀刻工艺804而具有弯曲的外部侧壁。

如图9的横截面视图900中所示，第二上部侧壁间隔物902可形成于第一上部侧壁间隔物802的旁侧。在一些实施例中，可以使用与图7和图8中关于形成第一上部侧壁间隔物802类似的步骤形成第二上部侧壁间隔物902。在一些实施例中，第二上部侧壁间隔物902比第一上部侧壁间隔物802更厚。此外，在一些实施例中，第二上部侧壁间隔物902可包括与第一上部侧壁间隔物802不同的材料。举例来说，在一些实施例中，第二上部侧壁间隔物902可包括二氧化硅、氮氧化硅或其类似物。

如图10的横截面视图1000中所示，在一些实施例中，可执行第三竖直蚀刻工艺1002以去除反射层堆叠102的外围部分，所述外围部分未被微透镜堆叠104、第一上部侧壁间隔物802以及第二上部侧壁间隔物902覆盖。因此，在一些实施例中，第三竖直蚀刻工艺1002可使用遮蔽层402和第二上部侧壁间隔物902作为掩模。第三竖直蚀刻工艺1002可保持第二导电层112大体上不变。

如图11的横截面视图1100中所示，可在反射层堆叠102上方且沿第二上部侧壁间隔物902形成下部侧壁间隔物122。可使用与图7和图8中关于形成第一上部侧壁间隔物802类似的步骤形成下部侧壁间隔物122。在一些实施例中，下部侧壁间隔物122可包括介电材料，例如氮化硅、碳化硅或其类似物。因此，在一些实施例中，下部侧壁间隔物122可包括与第一上部侧壁间隔物802相同的材料。

如图12的横截面视图1200中所示，在一些实施例中，可围绕下部侧壁间隔物122形成模制层(molding layer)1202。在一些实施例中，模制层1202可具有与反射层堆叠102的顶面大体上共面的顶面。在其它实施例中，模制层1202可具有高于或低于反射层堆叠102的顶面的顶面。此外，在一些实施例中，模制层1202可包括光阻或另一聚合材料。

如图13的横截面视图1300中所示，可执行第四竖直蚀刻工艺1302来去除第二上部侧壁间隔物(图12的第二上部侧壁间隔物902)和下部侧壁间隔物122的上部部分。在一些实施例中，第四竖直蚀刻工艺1302可利用干式蚀刻剂，例如氢氟酸气体。在一些实施例中，在第四竖直蚀刻工艺1302后，下部侧壁间隔物122具有与反射层堆叠102的顶面大体上共面的上表面。在其它实施例(未示出)中，在第四竖直蚀刻工艺1302后，可去除少量下部侧壁间隔物122(使得下部侧壁间隔物122凹陷低于顶面或反射层堆叠102)。在又其它实施例(未示出)中，在第四竖直蚀刻工艺1302后，少量第二上部侧壁间隔物(图12的第二上部侧壁间隔物902)可保留在顶面或反射层堆叠102上方且凹陷低于第一上部侧壁间隔物802的顶部。

如图14的横截面视图1400中所示，在一些实施例中，可通过剥除来去除模制层(图13的模制层1202)，且顶部电极接触件204可形成于反射层堆叠102中的第二反射层116的最上部反射层116u上。在一些实施例中，从俯视视角看，顶部电极接触件204是第二反射层116的最上部反射层116u上方的连续环且包围微透镜堆叠104。在一些实施例中，顶部电极接触件204可包括导电材料，例如镍、金、铜或其类似物。在一些实施例中，顶部电极接触件204包括与第一导电层110相同的材料。此外，在一些实施例中，顶部电极接触件204可由沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、溅镀、ALD等)形成。

如图15的横截面视图1500中所示，在一些实施例中，可去除遮蔽层(图14的遮蔽层402)。在一些实施例中，通过平坦化工艺(例如，化学机械平坦化(chemical mechanicalplanarization，CMP))来去除遮蔽层(图14的遮蔽层402)，且因此去除第一上部侧壁间隔物(图14的第一上部侧壁间隔物802)的上部部分，进而形成上部侧壁间隔物128，所述上部侧壁间隔物具有与额外第二反射层125的最顶部反射层125t大体上共面的顶面。在其它实施例中，遮蔽层(图14的遮蔽层402)可以是透明的，且可省略图15的步骤，进而如图14中原地保留遮蔽层(图14的遮蔽层402)。在又其它实施例中，可借助于蚀刻工艺去除遮蔽层(图14的遮蔽层402)。在一些此类实施例中，上部侧壁间隔物128可在微透镜堆叠104的顶部上方延伸。

如图16的横截面视图1600中所示，可去除载板衬底302且可将第一导电层110接合到底部电极218。在一些实施例中，底部电极218可包括与第一导电层110相同的材料，例如镍。在一些实施例中，底部电极218可具有在例如大约0.5微米与大约5微米之间的范围内的厚度。在一些实施例中，当第一导电层110接合到底部电极218时，底部电极218可能已经接合到下部衬底结构1612。可将底部电极218耦接到下部衬底结构1612中的第一装置结构1616(例如晶体管)。下部衬底结构1612还可包括包围第一装置结构1616的第二装置结构1614。在一些实施例中，第一装置结构1616和第二装置结构1614在反射层堆叠102两端供应电压偏压。

如图17的横截面视图1700中所示，在一些实施例中，介电结构1702可沉积在下部衬底结构1612、反射层堆叠102以及微透镜堆叠104上方。在一些实施例中，介电材料1702可包括例如氮化物(例如氮化硅、氮氧化硅)、碳化物(例如碳化硅)、氧化物(例如氧化硅)、硼硅酸盐玻璃(borosilicate glass，BSG)、磷硅酸盐玻璃(phosphoric silicate glass，PSG)、硼磷硅酸盐玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、低k氧化物(例如掺碳氧化物、SiCOH)或其类似物。在一些实施例中，介电结构1702可由沉积技术(例如，PVD、CVD、PE-CVD、溅镀、ALD等)形成。

如图18的横截面视图1800中所示，竖直接触通孔1804可形成于反射层堆叠102的任一侧上且耦接到第二装置结构1614。在一些实施例中，竖直接触通孔1804可从介电结构1702的顶面延伸到第二装置结构1614的顶面。竖直接触通孔1804可包括导电材料，例如铜、钨、铝或其类似物。在一些实施例中，竖直接触通孔1804可由例如镶嵌工艺形成。

如图19的横截面视图1900中所示，可去除介电结构(图18的介电结构1702)的中心部分，且可形成连接部分1902以将竖直接触通孔(图18的竖直接触通孔1804)耦接到顶部电极接触件204。因此，连接部分1902和竖直接触通孔(图18的竖直接触通孔1804)可一起被称作导电穿孔206，所述导电穿孔延伸穿过上部ILD结构208且将顶部电极接触件204耦接到第二装置结构1614。因此，在一些实施例中，可通过顶部电极接触件204和底部电极218在反射层堆叠102两端施加偏压以产生来自光学有源区118的光，反射光穿过第一反射层114和第二反射层116，且成功地引导光穿过光学孔口121和透镜层124来发射聚焦激光。

图20示出形成包括自对准微透镜的VCSEL装置的方法2000的一些实施例的流程图。

尽管方法2000在下文示出且描述为一系列动作或事件，但应了解，不应以限制意义来解释此类动作或事件的所示出的排序。举例来说，除本文中所示出和/或所描述的动作或事件外，一些动作可与其它动作或事件以不同次序和/或同时出现。另外，可能需要并非所有的所示出动作以实施本文中的描述的一或多个方面或实施例。此外，本文中所描绘的动作中的一或多个可以一或多个单独动作和/或阶段进行。

在动作2002处，形成交替第一反射层和第二反射层的反射层堆叠。

在动作2004处，在反射层堆叠上方形成交替透镜层和额外第二反射层的微透镜堆叠。透镜层具有从最底部透镜层增大到最顶部透镜层的第一元素的平均浓度梯度。图3示出对应于动作2002和动作2004的一些实施例的横截面视图300。

在动作2006处，根据遮蔽层执行第一竖直蚀刻工艺来去除微透镜堆叠的外围部分。图5示出对应于动作2006的一些实施例的横截面视图500。

在动作2008处，执行氧化工艺来氧化透镜层的外围部分。图6A示出对应于动作2008的一些实施例的横截面视图600A。

在动作2010处，沿微透镜堆叠的侧边形成一或多个侧壁间隔物。图7到图9示出对应于动作2010的一些实施例的横截面视图700到横截面视图900。

在动作2012处，根据遮蔽层和一或多个侧壁间隔物执行第二竖直蚀刻工艺来图案化反射层堆叠。图10示出对应于动作2012的一些实施例的横截面视图1000。

因此，本发明的实施例涉及一种制造具有自对准微透镜的VCSEL装置的方法，所述自对准微透镜包括透镜层，所述透镜层具有第一元素的变化的浓度来增大VCSEL装置发射聚焦激光的可靠性。

因此，在一些实施例中，本发明的实施例涉及一种竖直腔面发射激光(VCSEL)装置，包括：反射层堆叠，包括第一材料和第二材料的交替反射层；以及微透镜堆叠，布置在反射层堆叠上方且包括：第一透镜层，包括第一元素的第一平均浓度且具有第一宽度；第二透镜层，布置在第一透镜层上方且包括大于第一平均浓度的第一元素的第二平均浓度且具有小于第一宽度的第二宽度；以及第三透镜层，布置在第二透镜层上方且包括大于第二平均浓度的第一元素的第三平均浓度且具有小于第二宽度的第三宽度。

在本发明的实施例中，所述第一透镜层包括所述第一材料且直接地接触包括所述第二材料的所述反射层堆叠的最顶部反射层。

在本发明的实施例中，所述第一透镜层、所述第二透镜层以及所述第三透镜层各自具有由第三材料包围的最外部侧壁，所述第三材料包括所述第一元素和氧。

在本发明的实施例中，所述第一元素与氧反应以形成氧化物。

在本发明的实施例中，所述的竖直腔面发射激光装置，更包括：第一氧化透镜层，将所述第一透镜层与安置在所述反射层堆叠正上方的侧壁间隔物横向地分离；第二氧化透镜层，将所述第二透镜层与所述侧壁间隔物横向地分离；以及第三氧化透镜层，将所述第三透镜层与所述侧壁间隔物横向地分离。

在本发明的实施例中，所述的竖直腔面发射激光装置，更包括：第一额外反射层，包括所述第二材料且布置在所述第一透镜层上方，其中所述第一透镜层的顶面直接地接触所述第一额外反射层的底面，且其中所述第一额外反射层比所述第一透镜层更宽；第二额外反射层，包括所述第二材料且布置在所述第二透镜层上方，其中所述第二透镜层的顶面直接地接触所述第二额外反射层的底面，且其中所述第二额外反射层比所述第二透镜层更宽；以及第三额外反射层，包括所述第二材料且布置在所述第三透镜层上方，其中所述第三透镜层的顶面直接地接触所述第三额外反射层的底面，且其中所述第三额外反射层比所述第三透镜层更宽。

在本发明的实施例中，所述第一元素的浓度从所述第一透镜层的最底部表面增大到所述第一透镜层的最顶部表面。

在其它实施例中，本发明的实施例涉及一种竖直腔室表面发射激光(VCSEL)装置，包括：反射层堆叠，包括交替堆叠的多个第一反射层和多个第二反射层，其中多个第一反射层包括第一组合物且多个第二反射层包括与第一组合物不同的第二组合物；以及微透镜堆叠，包括透镜层，由横向接触反射层堆叠正上方的侧壁间隔物的氧化透镜层横向地包围，其中透镜层包括：最底部透镜层，具有第一最大宽度；中间透镜层，具有小于第一最大宽度的第二最大宽度；以及最顶部透镜层，具有小于第二最大宽度的第三最大宽度。

在本发明的实施例中，所述的竖直腔面发射激光装置，更包括：额外第二反射层，将所述最底部透镜层与所述中间透镜层分离，其中所述额外第二反射层具有大于所述第一最大宽度的第四最大宽度。

在本发明的实施例中，其中所述最底部透镜层的底面包括第一元素的第一浓度，其中所述最底部透镜层的顶面包括所述第一元素的第二浓度，且其中所述第二浓度大于所述第一浓度。

在本发明的实施例中，其中所述中间透镜层的底面包括所述第一元素的第三浓度，且其中所述第三浓度大于所述第二浓度。

在本发明的实施例中，其中所述透镜层包括所述第二组合物，且所述氧化透镜层包括所述第二组合物及氧。

在本发明的实施例中，其中所述微透镜堆叠更包括：第一额外反射层，将所述最底部透镜层与所述中间透镜层分离；以及第二额外反射层，将所述中间透镜层与所述最顶部透镜层分离，其中所述氧化透镜层向外横向地突出超过所述第一额外反射层及所述第二额外反射层的最外部侧壁。

在本发明的实施例中，所述的竖直腔面发射激光装置，更包括：最顶部额外第二反射层，布置在所述最顶部透镜层上方。

在本发明的实施例中，其中所述透镜层的最外部侧壁分别弯曲，且其中所述透镜层分别包括具有比最顶部表面更大的最大宽度的最底部表面。

在又其它实施例中，本发明的实施例涉及一种制作用于竖直腔面发射激光(VCSEL)装置的微透镜的方法，所述方法包括：在第二反射层上方形成第一透镜层且包括第一元素的第一平均浓度；在第一透镜层上方形成第一额外反射层；在第一额外反射层上方形成第二透镜层且包括大于第一平均浓度的第一元素的第二平均浓度；在第二透镜层上方形成第二额外反射层；以及执行氧化工艺来氧化第一透镜层和第二透镜层的外围部分以形成第一透镜层的氧化外围部分和第二透镜层的氧化外围部分，其中第二透镜层的氧化外围部分比第一透镜层的氧化外围部分更宽。

在本发明的实施例中，所述的制作微透镜的方法，更包括：根据遮蔽层执行蚀刻工艺以去除所述第一透镜层、所述第一额外反射层、所述第二透镜层以及所述第二额外反射层的最外部边缘，使得所述第二反射层比所述第一额外反射层更宽，其中在形成所述第二额外反射层后且在执行所述氧化工艺之前执行所述蚀刻工艺。

在本发明的实施例中，所述的制作微透镜的方法，更包括：在执行所述氧化工艺后，沿所述遮蔽层、所述第一透镜层、所述第一额外反射层、所述第二透镜层以及所述第二额外反射层的侧壁形成侧壁间隔物。

在本发明的实施例中，所述的制作微透镜的方法，更包括：在反射层堆叠上方形成所述第一透镜层，所述反射层堆叠包括被配置成产生电磁辐射的光学有源区；以及执行第二蚀刻工艺以根据所述侧壁间隔物和所述遮蔽层蚀刻所述反射层堆叠。

在本发明的实施例中，所述第一透镜层在上部部分处比在下部部分处具有所述第一元素的更高浓度，且其中所述上部部分经历比所述下部部分更高速率的所述氧化工艺。

前文概述若干实施例的特征使得本领域的技术人员可更好地理解本发明的实施例的各方面。本领域的技术人员应了解，他们可容易地将本发明的实施例用作设计或修改用于实现本文中所引入的实施例的相同目的和/或达成相同优势的其它工艺和结构的基础。本领域的技术人员还应认识到，此类等效构造并不脱离本发明的实施例的精神和范围，且其可在不脱离本发明的实施例的精神和范围的情况下在本文中进行各种改变、替代以及更改。