形成在单个薄片上的半导体激光器谐振腔制造技术

一种用于制造例如光存储所需要的具有好的光学波阵面特性的激光器的方法和结构，包括提供一种激光器，其中从激光器前腔面形成的输出光束不被半导体薄片的边缘所阻挡，来防止有害的光束畸变。半导体激光器结构外延生长在基底上，且至少具有下熔覆层、激活层、上熔覆层和接触层。穿过由光刻确定的掩模的干法刻蚀制造具有长度为ｌ↓［ｃ］、宽度为ｂ↓［ｍ］的激光器台面。另一种光刻和刻蚀用于形成台面顶部宽度为ｗ的脊形结构。刻蚀步骤也在激光器波导结构的末端形成镜面或腔面。薄片的长度ｌ↓［ｓ］和宽度ｂ↓［ｓ］可以被选择为等于或长于波导长度ｌ↓［ｃ］和台面宽度ｂ↓［ｍ］的方便的数值。波导长度和宽度被选择，以使对于给定的缺陷密度Ｄ，产率大于５０％。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请要求2005年8月25日提交的美国临时专利申请No. 60/710,820的优先 权，在此以参见的方式引入该专利申请的内容。本专利技术涉及半导体二极管激光器，具体地说，涉及具有刻蚀腔面(facet)的低 成本InGaAlN基激光器。
技术介绍
InGaAlN二极管激光器重要地作为用于许多应用的光源；例如，在高密度光存 储、显示、打印和生物医学方面。在与这些应用相关联的许多装置和系统中，需要 能够提供高波阵面质量的输出光束的激光源。此外，许多这些系统和装置的广泛应 用和商业成功依赖于低成本供应的能力。因此，高制造产率和低成本是需要来构造 这样的系统和装置的光源的关键要求。基于至少具有n型下熔覆层、具有量子阱和势垒的未掺杂激活层、p型上熔覆 层、以及高掺杂p型接触层的外延生长层的半导体二极管激光器由InxGayAlzN制 成，其中o《x《1， 0<=y<=l， 0<=z<=l，并且x+y+z-l。这些激光器可以发射跨 度至少从紫光到蓝绿光波长的波长范围。该类型的激光器已被制造出来，并如前述 技术所述，参见例子，SNkamura等，"The Blue Laser Diode: The Complete Story"， Springer-Verlag， 2000，但这样的激光器在面对高制造产率、低成本、高可靠性， 以及输出辐射的高光学质量的要求时，面临许多挑战。当前可用于InGaAlN基激光激活层的外延生长基底材料导致一个独特的问题， 该问题造成获取高制造产率和低成本的显著障碍。例如，可用的基底引起激光激活 材料层的不寻常的高缺陷密度，另外，如果并非不可能的话，根据基底材料的机械 特性，使用机械切割(cleaving)来形成激光器镜面是很具有挑战性的。用SiC和 蓝宝石制成的基底已被用于InGaAIN层的制作，但这些材料不允许InGaAIN层的 晶格匹配生长，并导致很高的缺陷密度、低制造产率和可靠性的顾虑。近来，独立 式的GaN基底已可用于GaN激光器的制作，如2003年8月7日出版的Kensaku7Motoki等的美国专利申请公布No. US 2003/0145783 Al。但是，即使使用最高质量 的GaN基底，激光器激活层显示出大约105 cm^的缺陷密度，该密度高于基于其 它材料系统的普通商用半导体激光器缺陷密度几个数量级。此外，当前这些GaN 基底的尺寸被限制为最多2英寸，而且成本很高。如果要获取低成本，限制缺陷密 度对激光器制作制造产率的影响和提高制造产率一样，是很重要的。已经知道，镜面腔面可以通过刻蚀技术形成在二极管激光器上，如美国专利 4,851,368，以及BehfarRad等，IEEE Journal of Quantum Electronics, 28巻， 1227-1231页，1992所述，在此以参见的方式引入它们的内容。但是，刻蚀GaN 镜面腔面的早期工作没有导致高质量的镜面。例如，期望垂直于基底的被刻蚀表面 与竖直方向形成一个角度，如Adesida等，Applied Physics Letters, 65巻，889-891 页，1994所述，并且腔面太粗糙，导致低下的反射率，如Stocker等，Applied Physics Letters, 73巻，1925-1927页，1998所述。近来， 一种使高质量镜面腔面可以在GaN材料系统中形成的新工艺，如Behfar 等于2006年6月20日提出申请，并转让给本申请的受让人的美国专利申请No. 11/455,636所述，在此以参见的方式引入该专利申请。如那份申请所述，由于包括 在切割操作中的机械处理，在晶片上采用传统切割技术形成具有短谐振腔长度的多 重激光器是很困难的。此外，切割导致镜面腔面的同时形成，以及晶片基底被分离 成单独的激光器薄片。由于GaN晶体的切割比以前用于CD、 DVD和通讯的大规 模生产的二极管激光器中所使用的GaAs和InP基底的切割更困难，所以对于生长 在GaN基底上的InGaAlN基激光器而言，切割的腔面的成功形成尤其困难。另一方面，如用于激光腔面形成的专利申请No. 11/455,636所述的刻蚀方法的 使用使腔面形成的优化可以独立于后来的装置分离。在这个工艺中，激光器以与集 成电路薄片制作在硅上非常相同的方法被制作在晶片上，从而薄片以全晶片的形式 形成。激光器镜面通过刻蚀腔面技术(EFT)被刻蚀在晶片上，并且电触点被制作 在激光器上。激光器在晶片上被测试，随后晶片被分离来将激光器分开进行封装。 刻蚀的AlGalnN基腔面的扫描电子显微镜照片显示，使用EFT工艺，可以获得高 度的垂直性和平整性，该工艺也使得可以制作用于具有AlGalnN基材料可达到的 波长要求的多种应用的激光器和集成装置。前述的制作激光器的工艺可以概括为包括在具有AlGalnN基结构的晶片上用 光刻确定多个光导装置，以及刻蚀穿过由此产生的掩模以在晶片上制作多个激光波 导腔的步骤。另一下接刻蚀的光刻步骤，被用来当波导依旧在晶片上时，在波导末端形成激光腔面或镜面。随后，在激光器谐振腔上形成电触点，在晶片上测试各个 激光器，并且分离晶片以将激光器分开进行封装。该刻蚀腔面的方法包括在晶片上的InGaAlN基激光器波导结构的p掺杂顶层上使用高温稳定的掩模来确定腔面的 位置，其中掩模保持顶层的导电性，然后在化学辅助离子束刻蚀(CAIBE)中使用 超过500°C的温度和超过500V的离子束电压，穿过掩模在激光器结构中刻蚀腔面。 半导体和掩模材料之间刻蚀的选择性对于获取用于光子学的平直表面非常重 要。通过在高温下执行CAIBE，获得掩模和GaN基基底之间的高选择性。CAIBE 的高离子束电压也被发现加强了选择性。掩模材料经过选择来抵抗高温刻蚀，但也 防止对GaN基结构的p接触的损伤。尤其在InGaAlN激光器的情况下，激光器镜面的刻蚀可以提供用于提高制造 产率并降低成本的优点。例如(a) 激光器谐振腔波导尺寸可以与薄片长度尺寸不同，并可以被优化到最大 的激光器制作产率。通过制作有限长度的波导，在激光器激活区域发生材料缺陷的 概率被降低，并且提高制作产率。(b) 多个激光器可以被制作在一个半导体薄片上来提高产率和可靠性。(c) 具有在晶片平面中水平定向激光器谐振腔的表面发射激光器，可以通过 刻蚀出45°表面以将辐射向上引导出晶片平面来制成。(d) 用于修正期望反射率的激光腔面镀层可以在装置分离之前被应用在全晶 片级上。(e) 激光器测试可以在全晶片级上被经济地执行。(f) 诸如光二极管、透镜、光栅等附加装置可以与激光器形成一体。 现今大规模生产的基于GaAs和InP基底的二极管激光器的产率和成本并没有受到基底质量和成本的影响。用于这些激光器装置的基底通常具有大约10^111'2的 缺陷密度，并且可用在直径最大为6英寸，而成本比GaN基底的成本低几个数量 级的更大尺寸的晶片上。GaAs和InP都有闪锌矿晶体结构，这使得用于激光器末 端镜面的形成和薄片分离的切割都变得容易，而切割是这些半导体激光器批量生产 的主要方法。此外，在诸如通讯领域中的二极管激光器的应用，光学成像并不是首 要问题，而光束质量的要求更宽松。为了产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体激光器装置，包括：　基底；　在所述基底上的外延生长层结构；　长度为ｌ↓［ｃ］的激光器谐振腔，所述激光器谐振腔在所述外延生长层内形成，所述激光器谐振腔具有至少一个垂直于所述基底平面的刻蚀腔面表面；　长度为ｌ↓ ［ｓ］的薄片，所述薄片通过分离所述基底形成且结合所述激光器谐振腔，ｌ↓［ｓ］大于所述激光器谐振腔长度ｌ↓［ｃ］；　所述薄片的从所述激光器谐振腔光束轴的中心到所述薄片的刻蚀顶部表面的距离为ｈ，从所述薄片的边缘到所述刻蚀腔面的距离为ａ；　 　所述激光器谐振腔能够产生具有半高宽垂直远场角＊的激光器输出光束；并且其中，比例ｈ／ａ等于或大于　ｔａｎ［＊×θ／２］。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：AA贝法，W兰斯，
申请(专利权)人：宾奥普迪克斯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]