垂直延伸腔表面发射激光器以及用于制造该激光器的发光部件的方法

摘要

本发明涉及制造VECSEL的发光部件的方法以及相应的VECSEL。在该方法中，叠层(2)在半导体衬底(1)上外延地生长。该叠层包括激活区(4)、上部分布式布拉格反射器(5)和设置在该激活区(4)和该半导体衬底(1)之间的掺杂n或p的电流注入层(13)。将机械支撑(6)或小装配键合到该叠层(2)的上侧，并且随后去掉该半导体衬底(1)。可选地，在叠层(2)的下侧沉积金属化层(7)，并且将光学透明衬底(8)键合到该下侧。所提出的方法允许按照标准的方式来制造这种部件，并且产生具有均匀电流注入和高效率散热的VECSEL。

说明书

技术领域

本发明涉及垂直延伸腔表面发射激光器(VECSEL)，其包括延伸反射镜、叠层、分布式布拉格反射器(DBR)和衬底，该延伸反射镜形成该延伸腔的第一端镜，该叠层至少具有用于光发射的激活区，该分布式布拉格反射器(DBR)形成所述延伸腔的第二端镜，该叠层附接到该衬底上。本发明还涉及制造这种垂直延伸腔表面发射激光器的发光部件的方法。

垂直延伸腔表面发射激光器是一种用于投影应用的有前途的技术。利用在该延伸激光腔内部的非线性晶体通过二次谐波发生能够将这种激光器的IR发射分量转变成蓝、绿和红光。

背景技术

垂直腔表面发射激光器(VCSEL)通常由叠层形成，该叠层包括激活(增益)区，其夹在两个分布式布拉格反射器中间。该叠层由适当的电介质和/或半导体层序列组成。激光腔由两个DBR形成，为了向外耦合的目的，其中一个DBR在产生激光的波长处的反射率比另一个DBR的反射率低。在垂直延伸腔表面发射激光器的情况下，具有较高反射率的DBR与延伸反射镜之间形成共振腔。可以省略将要设置在该延伸腔内部的第二DBR，或者将该第二DBR设计成相比于VCSEL来说在产生激光的波长处具有甚至更低的反射率。

为了稳定地操作这种VECSEL，该延伸腔内部需要光学透镜以便利用两个平坦端镜来形成稳定的共振器。此外，必须从激活区有效地散掉在这种激光器的操作期间所生成的热量。

WO 2004/086578A2公开了将光学透明衬底附接到延伸腔内部的叠层的自由侧。该透明衬底用作散热器(heat spreader)，并且将其设计成具有对激光器输出的光产生影响的一个或多个其他选择的性质。这样的其他性质的实例是用以实现激光辐射的所希望的偏振的偏振性质、用以实现激光辐射的倍频的非线性光学响应，或者提供用以使输出光聚焦或散焦的曲面。

然而，透明衬底的热导率不足以使其用作有效的散热装置(heatsink)。此外，当透明衬底不导电时，很难实现到激活区中的均匀电流注入。

发明内容

本发明的目的是提供制造垂直延伸腔表面发射激光器的发光部件的方法以及包括这种部件的垂直延伸腔表面发射激光器，该方法能够利用标准的半导体制造工艺来进行，并且实现具有均匀电流注入和高效率散热的发光部件。

该目的利用根据权利要求1和13所述的方法和垂直延伸腔表面发射激光器来实现。该方法和激光器的有利实施例是从属权利要求所请求保护的主题，或者在说明书的随后部分对此加以描述。

在所提出的方法中，叠层在半导体衬底上外延地生长。所述叠层包括形成激活区的半导体层、形成上部分布式布拉格反射器的上层序列，以及在该半导体衬底和该激活区之间的掺杂n或p的电流注入层。该上部分布式布拉格反射器设计成对于产生激光的波长具有高反射率。层的材料和层的厚度以及用于外延生长和结构化这种叠层以便形成垂直发光二极管的过程在本领域中通常是已知的。可选地，该叠层生长成使其还包括下层序列，该下层序列在该激活区和掺杂n或p的电流注入和扩散层(spreading layer)之间形成下部分布式布拉格反射器。该下部分布式布拉格反射器设计成对于产生激光的波长来说具有比上部分布式布拉格反射器更低的反射率。

首先，结构化具有叠层的衬底的上部分，并使其部分金属化以生成电约束(electrical confinement)。在下一个步骤中，具有该叠层的半导体衬底利用该叠层的上侧而键合(bonded)到支撑衬底或小装配(submount)衬底上。然后，例如通过蚀刻或烧蚀(ablation)而去掉该半导体衬底。然后，将光学透明衬底键合到该叠层的下侧，致使在该光学透明衬底的这一侧产生反射镜层(形成(一个或多个)DBR)、增益层(形成激活区)和掺杂n或p的电流注入层的外延生长的叠层，所述光学透明衬底例如玻璃衬底。

然后，可以安装该发光部件以便与延伸反射镜一起形成垂直延伸腔表面发射激光器，其中上部分布式布拉格反射器形成端镜之一，并且该延伸反射镜形成该延伸腔的另一个端镜。将该透明衬底放在该延伸腔的内部，并且可以将该透明衬底设计成提供对激光辐射的光学性质产生影响的其他功能。

在优选实施例中，在去掉半导体衬底的步骤之后，在所述叠层的目前未覆盖的下侧沉积金属化层。如果该金属化层对于所述发光部件的操作而言是必需的，那么可以另外结构化该金属化层。

在另一个优选实施例中，在晶片级上执行所有的方法步骤。这意味着半导体衬底是晶片衬底，所述叠层在该晶片衬底上外延生长并被结构化从而并排地形成许多垂直发光二极管。在所述光学透明衬底的晶片键合(wafer-bonding)之后，将得到的衬底和叠层切割成单个的部件，每个部件都包括一个或几个发光二极管。

在切割成单独的部件的步骤之前，可以去掉支撑衬底。然后，优选地在切割步骤之前将适当的散热装置键合到该部件的这一侧。可替换地，键合到叠层上侧的小装配结构可能已经形成了这种散热装置，例如由具有集成导体结构的金属-陶瓷复合材料制成，用以从一侧电接触该叠层。然后，该小装配结构保留在这些部件上。

因此，根据本发明的提出的垂直延伸腔表面发射激光器至少包括形成延伸腔的第一端镜的延伸反射镜、光学透明衬底、叠层和散热装置。该叠层具有激活区(增益介质)、外部分布式布拉格反射器以及设置在该光学透明衬底侧面上的掺杂n或p的电流注入层。该外部分布式布拉格反射器形成该延伸腔的第二端镜。可选地，该叠层还包括夹在该激活区和该电流注入层中间的内部分布式布拉格反射器，该内部分布式布拉格反射器对于产生激光的波长来说具有比外部分布式布拉格反射器更低的反射率。该透明衬底设置在该延伸腔的内部并且在该电流注入层一侧附接到该叠层。该散热装置在外部分布式布拉格反射器一侧附接到该叠层。此外，所提出的垂直延伸腔表面发射激光器优选地包括夹在掺杂n或p的电流注入层与所述透明衬底中间的金属层。

由于用光学透明衬底取代了半导体衬底，因此能够将目前透明的一侧用于发光部件的光发射，即能够将其放在该延伸腔的内部。这允许将有效的散热装置附接在发光部件的外侧非常接近于产生热的激活区的位置，导致高效的散热。

在优选实施例中包括的金属化层改进了电流分布的均匀化并且允许利用非常薄的掺杂n或p的电流注入层而不需要导电衬底。可以从透明衬底一侧经由可以在该衬底中蚀刻的适当通孔来电接触该金属层，或者从上部DBR一侧通过适当的孔或槽来接触该电流注入层，如本领域中已知的(例如参见图2和图3中的p接触14，图2和3示出了接触该电流注入层13的金属化)。该方法能够与生产垂直腔表面发射激光器的已知技术一起应用，从而允许节省成本的批量生产。

电流注入层的层厚度和掺杂浓度优选地处于下面的范围内，这取决于接触和掺杂(掺杂p或n型)的方式：

情况1：经由金属层接触：掺杂层的厚度是100-1000nm，p型浓度为10E18-10E20cm^-3，n型浓度为10E17-10E18cm^-3。

情况2：经由掺杂层接触：掺杂层的厚度是100-1000nm，p型浓度为10E19-10E20cm^-3，n型为10E17-10E18cm^-3。

情况3：经由掺杂层接触，不存在金属层：掺杂层的厚度是500-5000nm，p型浓度为10E19-10E20cm^-3，n型浓度为10E17-10E181/cm^-3。

在情况1和2中，当未构成图案时，金属层的优选厚度在1和10nm之间，当构成图案时，金属层的优选厚度在10和50nm之间。

在任何情况下，都将掺杂层的厚度选择成与延伸腔之内的激光辐射的驻波图是相位匹配的。

如能够从这些优选范围看到的，提供金属层允许电流注入层的厚度减小，这导致在该层中较少地吸收激光辐射。可替换地或者此外，可以降低该层的掺杂浓度，得到相同的结果。

在优选实施例中，已经预制了所述透明衬底以便在所述垂直延伸腔表面发射激光器之内提供另外的光学功能。该透明衬底(特别是玻璃衬底)例如能够被结构化以实现准直透镜的效果。一般来说，该透明衬底也能够由光学透明材料层构成的叠层来形成。该透明衬底也能够由双折射材料来制成以便提供起偏器的光学功能，或者出于倍频的目的而由非线性光学材料来制成。在后者的情况下，该部件发射的光在该衬底中发生倍频，从而实现例如在绿光波长范围内的激光发射。然而，出于相同的目的，也能够将例如透镜或倍频晶体的这类光学部件设置在该延伸激光腔之内且在发光部件和该延伸反射镜之间的位置。此外，该透明衬底可以在其一侧或两侧具有电介质涂层，以便降低表面反射率或者提供波长滤波功能。在另一个实施例中，该透明衬底可以被结构化以形成体积布拉格光栅(VBG)，用于激光发射的适当的波长稳定化。

所述金属层必须被设计成或者设置成在延伸激光腔的内部，从而使该金属化不会阻止激光器操作。为此，该金属化可以被结构化以在激光辐射在该延伸腔内部传播的位置处提供开口或孔。根据该金属化层的这种构造，也可以通过适当的光学约束来额外地影响激光辐射的模式结构。

在另一个优选实施例中，将金属化层设置在激光腔之内形成的激光辐射的驻波节点中。在该位置，即使该金属化层没有被结构化，该金属化层也不会干扰激光器操作。优选的是，在这种情况下该金属化层具有小于100nm的非常低的厚度，更优选的是具有小于10nm的厚度。

在所提出的方法中，用于生成叠层的所有晶片加工都能够按照生产VCSEL的标准方式而进行。在完成这些工艺之后，进行衬底的转移。

优选的是，叠层在其上外延生长的半导体衬底是掺杂p或n的GaAs衬底或者半绝缘GaAs衬底。在一个这种实施例中，下部DBR由掺杂p的层序列来形成，该掺杂p的层序列是具有交替折射率的在4对和13对之间的掺杂p的层，而上部DBR由具有交替折射率的多于20对的掺杂n的层来形成。在这种情况下，掺杂p的电流注入层形成在该金属化和下部DBR之间。

本发明的这些和其他方面根据下文中描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。

附图说明

在下文中结合附图通过例子的方式来描述所提出的方法和垂直延伸腔表面发射激光器，这些附图不限制由权利要求所限定的保护范围。附图示出：

图1为示出所提出的方法的各个方法步骤的示意图；

图2为根据本发明第一实施例的VECSEL的局部剖视图；

图3为根据本发明第二实施例的VECSEL的局部剖视图；

图4为根据本发明第三实施例的VECSEL的局部剖视图。

具体实施方式

图1示出了根据所提出的方法的示范性实施例而执行的方法步骤序列。在第一步骤中，根据图1a，提供GaAs半导体衬底1。叠层2在该半导体衬底1上外延地生长，该叠层2形成掺杂p的电流注入层13、下部分布式布拉格反射器3、激活区4和上部分布式布拉格反射器5(图1b)。两个DBR 3、5是许多对半导体层的叠层，在最简单的情况下，每个在设计波长λ处都具有λ/4厚，该λ即为在半导体材料中的激光波长。每一对都由例如AlGaAs的高折射率层和低折射率层组成。上部DBR 5设计成在激光波长处具有98-99.9％(或者甚至＞99.9％)的反射率，并且因此其由多于20对的掺杂p的层来形成。在下部DBR 3的情况下，该DBR仅由4对至13对之间的掺杂n的层来形成，致使其在激光波长处具有在50％和95％之间的较低的反射率。该较低反射率是必需的，因为下部DBR 3的那一侧是激活区4中生成的光的光输出侧。激活区4可以由量子阱结构制成，例如由嵌入在GaAs中的三个InGaAs量子阱制成。

在下一个步骤中，按照通常的方式来结构化这些外延层。特别是为p或n侧提供金属接触。

在下一个步骤中，将用作支撑衬底的辅助衬底6键合到叠层2的上表面(图1c)。然后，通过蚀刻去掉半导体衬底1(图1d)。在该蚀刻步骤之后，将金属化层7沉积在叠层2的下侧(图1e)。然后，根据图1f将玻璃衬底8键合到叠层2的下侧。现在，金属化层7夹在叠层2和玻璃衬底8中间。然后，可以去掉辅助衬底6。结果是叠层2位于玻璃衬底8之上，金属化层7夹在叠层2与玻璃衬底8中间。然后，按照通常的方式，例如通过锯切而将该衬底和叠层切割成单独的部件或芯片9。将适当的散热装置10附接到这些部件的上侧。这些部件通过该玻璃衬底发射光，并且用作例如图2或3中所示的垂直延伸腔表面发射激光器的发光部件。

图2示出了这种VECSEL的例子的局部剖视图。该图示出附接到玻璃衬底8的叠层2位于延伸腔的一侧，延伸反射镜11位于相反侧(opposing side)。延伸反射镜11可以是二向色反射镜，并且代表该延伸腔的第一端镜，或者其可以是具有光谱狭窄(＜0.5nm)反射率的VBG。第二端镜由叠层2的上部DBR 5(在该图中位于下侧)形成。图2和图3中相同的附图标记代表已经结合图1描述过的相同的部件。可以在玻璃衬底8和延伸反射镜11之间设置另一个光学部件12，例如倍频非线性光学晶体。然而，也可以在延伸反射镜11和玻璃衬底8之间设置其他光学部件。玻璃衬底8经由金属化7和高导电的掺杂p的层13而覆盖在叠层的一侧，该高导电的掺杂p的层13在叠层2外延生长时已经形成了。

优选的是，在去掉半导体衬底之前，经由平版印刷术和随后的蚀刻来完成层13和7的接触。为此，在使叠层外延生长之后在该叠层2上蚀刻多个槽。在蚀刻完这些槽之后，沉积并且结构化隔离层和随后的适当的金属化，从而为掺杂p的注入层13提供p接触14并为该叠层的相反侧提供n接触15。

然后，可以将散热装置焊接到或者键合到叠层2的自由侧。通过该散热装置能够进行所有的电连接和热接触。

在该实施例中，透镜16在玻璃衬底8之内形成。在将衬底键合到叠层之前，可以通过本领域中已知的适当技术在该衬底中形成这种透镜，例如通过适当地改变玻璃衬底8之内的玻璃的折射率来形成这种透镜。也可以在该玻璃衬底中刻划透镜阵列。另外一种可能是将透镜热压或模制到该玻璃衬底的表面上。

图3示出了另一个实施例，其与图2的实施例的不同之处仅在于在玻璃衬底8之内没有透镜并且其附接有散热装置10。该设备的其他构造与已经参考图2描述过的构造相同。

图4示出了另一个实施例，其与图2的实施例的不同之处在于在玻璃衬底8之内没有透镜，没有下部DBR并且没有金属层。该设备的其他构造与已经参考图2描述过的构造相同。

尽管已经在附图和前面的说明书中详细地示出和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性的或示范性的而非限制性的，本发明不限于所公开的实施例。上面描述的和权利要求中的不同实施例也可以相结合。本领域技术人员在实施所要求保护的本发明时，根据对附图、公开内容和随附的权利要求的研究，能够理解并实现所公开的实施例的其他变型。例如，VECSEL也可以由并排布置的发光部件的阵列来形成以提供VECSEL阵列。在这种情况下，该阵列共用单一的透明衬底。

也可以将该玻璃衬底与具有不同光学功能的其他透明板组合，例如，能够由玻璃板、由非线性光学材料制成的板和延伸反射镜(VBG或二向色性)来形成叠层。可以在该叠层键合到半导体结构之前预制该叠层。

可以按照通常的方式由抗反射层来涂敷所有光学表面，或者通过用于基本IR辐射或倍频(例如绿色)辐射的反射二向色涂层来涂敷所有光学表面。

在权利要求中，措词“包括”不排除还有其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一种”不排除有多个。在彼此不同的从属权利要求中列举某些措施这一事实不表示这些措施的结合不可以有利地加以利用。权利要求中的任何附图标记不应当理解为限制这些权利要求的范围。

附图标记列表

1     半导体衬底

2     叠层

3     下部DBR

4     激活区

5     上部DBR

6     支撑衬底

7     金属化层

8     玻璃衬底

9     发光部件

10    散热装置

11    延伸反射镜

12    倍频晶体

13    掺杂p的电流注入层

14    p接触

15    n接触

16    集成透镜