[发明专利]一种光子晶体或光子带隙垂直腔面发射激光器的制造方法

说明书

技术领域

该发明涉及制造VCSELs，其涉及一种制造包含微/纳结构模式选择横向层的VCSEL的方法，通过适当地控制局部刻蚀来获得该微/纳结构层。该发明能以非常高的精度来控制该微/纳结构层的厚度。特别地，该发明涉及一种制造具有微/纳结构模式选择层的VCSEL的方法，该模式选择层用于控制VCSEL的横向电磁模式。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSELs)由于其优良性能以及广泛应用而备受关注。要实现低制造成本则要求高的生产良率，以及由此要求用于生产的制造方法严格可控。只有当任何以及每个制造方法的工艺步骤可控时，才能获得高良率。

包括具有用于控制VCSEL内电磁模式的刻蚀微/纳结构模式选择层的横向层的VCSEL的制造包括特别的制造步骤。该工艺包括如光刻胶的沉积、光刻胶曝光、光刻胶显影、刻蚀或材料沉积、和光刻胶去除步骤。要获得制造微/纳结构VCSEL的高良率要求很好地控制所有的这些步骤。

当制造微/纳结构模式选择元件时，VCSEL的性能严重依赖于刻蚀深度。典型地，通过刻蚀速率来确定该刻蚀深度，因此整个刻蚀时间确定了该刻蚀深度。可惜的是，刻蚀速率依赖于许多参数，对于湿法化学刻蚀如温度、化学剂、浓度；对于干法化学刻蚀如气流、气压、所用反应气体和非反应气体的总量、和气体混合比。

在“Electrically inhected single-defect photonic bandgap surface-emitting laserat room temperature”中，Electronics Letters，第36卷，第18期(2000年8月31日)，作者W.D.Zhou等，公开了一种VCSEL，包括底镜、顶镜、和以三明治结构处于两镜之间的增益区。两个镜子都是III-V族半导体基。从顶镜的顶部开始刻蚀深孔，穿透增益区并到达底镜中。该孔进而排列为规则阵列，在该阵列的中心具有缺陷。通过估算刻蚀速率并对刻蚀记时来确定该刻蚀深度。在这篇论文中并没有提到很好的控制刻蚀深度的问题。

在美国专利6683898中，公开了一种VCSEL结构，包含底镜、顶镜、以及以三明治结构处于两镜之间的增益区。形成光子晶体区域以阻止该VCSEL中的较高等级的横向模式。通过再生长步骤和/或由刻蚀工艺的时间来确定的刻蚀深度来实现该公开结构的制造。

在“True Photonic band-gap mode-control VCSEL structure”中，ECOC’03，pp40-41(2003)，作者F.Romstad等，示例了如何在VCSEL中通过浅刻蚀(小于100nm)来很好地控制波长。在局部半导体顶镜中实施浅刻蚀，且通过在局部刻蚀的部分半导体顶镜的顶部沉积介电顶镜，以得到实现激发光所需要的顶镜反射率。

在“Single-mode photonic bandgap VCSELs”中，ECOC’04，Proceeding vol.3，pp596-597(2004)，作者S.Bischoff等，示例了一种依赖于通过光子带隙(PBG)效应来实现的横向模式限制VCSEL。通过在局部半导体顶镜中柱的浅刻蚀来实现该PBG效应。通过在局部刻蚀的部分半导体顶镜的顶部沉积介电顶镜，以得到达到激发光所需要的顶镜反射率。

国际申请PCT/DK2005/000759公开了一种用于VCSEL中横向模式控制的技术，能提供大孔单模高功率VCSEL。该发明通过提供容许大孔单模高功率工作的基本结构零件以给出一种改进的VCSEL设计。这里所描述的许多结构特征在于，包括中心光孔区域，其提供长光子寿命和与激活区域的重叠。同时还包括为了提供比光孔区域中短的光子寿命而形成的模式整形区域。另外，包括为了提供对于模式整形区域和光孔区域的模式横向限制而设计的模式限制区域。选择这些区域的尺寸，以设计VCSEL腔中的每个横向电磁模式中的激光作用的效率。

上述现有技术对现有的VCSEL的描述都是基于在一个完整或局部的半导体顶镜中刻蚀微/纳结构模式选择区域。该方法的缺点是需要非常好地控制刻蚀工艺。高刻蚀深度控制的缺乏要求额外的工艺特性以确定实际得到的刻蚀深度。

特别是当提到湿法化学刻蚀技术时，刻蚀工艺中器件的处理是工艺变化的重要来源。特别是如果刻蚀速率相对很高时，开始和停止刻蚀工艺的时间是不确定的。如果不在控制之中，则反而会影响生产良率。

发明内容