[发明专利]微透镜、其和垂直空腔表面辐射激光器的组合及其制造方法

说明书

本发明涉及一种微透镜、微透镜和垂直空腔表面辐射激光器(VCSEL)的组合及其制造方法。并且更具体地，涉及一种微透镜及其制造方法，其中该微透镜通过湿化学蚀刻形成在半导体基片上；和涉及一种微透镜和VCSEL的组合及其制造方法，其中微透镜形成在VCSEL的光辐射表面上使得激光束能通过该微透镜聚光和辐射，而不需要单独的聚光透镜。

近年来，在光通信系统的领域内，人们对应用于微型光装置中的透镜系统的兴趣不断提高。具体地，对用来制造小透镜系统的便利方法和用于耦合微透镜与微光装置的有效技术的研究一直在积极地进行。

例如，在1988年1月的《电子通信(Electronics Letters)》Vol.24(2)，pp.109-110中提出了一种在砷化镓铟/磷化铟(GalnAs/InP)光二极管的表面上形成和制造微透镜的技术。根据该技术，利用光致抗蚀剂掩模在基片上限定一个微透镜区域，并且利用氩(Ar)粒子束蚀刻技术来使透镜成型。

然而，该技术的一个问题在于真空室会受到高浓度Ar离子的污染，Ar离子冲击蚀刻过程中的光致抗蚀剂掩模。此外，该技术需要利用昂贵的制造设备经过多个处理步骤来实现，使得制造过程复杂化和提高了制造成本。进而，已经在公开文本中由扫描式电子显微镜(SEM)证实了，该已经公开的技术不足以提供光滑的透镜表面。

能应用于半导体装置制造过程的湿化学蚀刻法可以大致分成限制反应蚀刻法和限制扩散蚀刻法。限制反应蚀刻法是指一种以化学溶液和半导体基片之间自身的化学反应为基础的湿蚀刻法，通常半导体工艺中采用的大多数蚀刻法都属于这一种。化学反应依赖于用作基片的材料的种类和所选用的化学溶液的成分，因此可以通过改变上述两种因素来恰当地控制蚀刻过程。

以蚀刻剂的扩散为基础的限制扩散蚀刻法，只限于在特殊结构中使用，而不常用于普通的半导体制造工艺中。用于这种限制扩散蚀刻法中的化学溶液的典型例子是含水溴(Br₂)溶液。该溶液相对于要进行蚀刻的目标不具有蚀刻选择性和通过扩散无条件地冲击露出来的半导体基片的表面。由于蚀刻原理以溴的扩散为基础，溴的快速扩散使得提供有大量溴的区域的蚀刻速度提高。与此同时，溴的扩散速度相对慢和存在少量溴的区域的蚀刻速度减慢。溴的这些蚀刻特性妨碍了限制扩散蚀刻法在半导体装置制造中的应用。

另一方面，通过半导体材料叠层辐射光线的垂直空腔表面辐射激光器(VCSELs)容易与其它光学元件组合，和易于安装在其它仪器中，并且也可以设计成二维的阵列，因此VCSELs有广泛的用途。例如，VCSEL可以在光传递系统中，例如使用光信号的光通信或接口中作为光源使用，和在记录/复制装置中作为光学头的光源。

参照图1，一个传统的VCSEL包括：基片5；顺序层叠在基片5上的下反射层1、活性层2、高阻抗区3和上反射层4；形成在上反射层4的除去激光束由此辐射的窗口8以外的区域上的上电极6；和形成在基片5下面的下电极7。

每个下反射层1和上反射层4是分布式的Bragg反射层(DBR)，是具有不同折射系数的半导体材料层的层叠，但有着相反的导电类型。例如，基片5和下反射层1掺杂有同种杂质，例如n型，并且上反射层4掺杂有另一种杂质，例如，p型。

高阻抗区3引导电流经过上电极6和下电极7进入到活性层2的中心。活性层2是这样的区域，由来自上下反射层4和1的空穴和电子的组合在此产生光，运些空穴和电子是由上、下电极6和7作用的电流诱生的。

在活性层2中产生的光在上、下反射层4和1之间反复反射和只留下具有与谐振条件一致的波长的光束，并且穿过窗口8辐射。

然而，在具有上述结构的传统的VCSEL中，由于窗口8的面积很小，从窗口8辐射出来的激光束有一个预定的辐射角，使得需要一个聚光镜来聚焦来自VCSEL的发散光。例如，当这种传统的VCSEL作为光源用于使用光缆的光传递系统中时，该VCSEL和光缆的输入端之间需要一个用来聚焦发散光的聚焦镜，来提高两者之间的光耦合。

作为另一个例子，传统的VCSEL可以作为光源用于记录/复制装置中的光学头，以非接触方式记录/复制来自/向记录介质，例如光盘的信息。在这种情况下，也需要一个聚焦透镜来聚焦来自VCSEL的发散光。

简而言之，由于传统的VCSEL通过窗口辐射发散光，需要一个单独的聚焦镜来强化VCSEL和光学元件之间的光耦合效率。并且，必须通过额外的步骤将该聚焦镜与来自VCSEL的激光束的光学中心轴对准，其结果导致复杂的安装步骤。