專利名稱：微透鏡、其和垂直空腔表面輻射激光器的組合及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微透鏡、微透鏡和垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的組合及其制造方法。并且更具體地，涉及一種微透鏡及其制造方法，其中該微透鏡通過濕化學(xué)蝕刻形成在半導(dǎo)體基片上；和涉及一種微透鏡和VCSEL的組合及其制造方法，其中微透鏡形成在VCSEL的光輻射表面上使得激光束能通過該微透鏡聚光和輻射，而不需要單獨(dú)的聚光透鏡。
近年來，在光通信系統(tǒng)的領(lǐng)域內(nèi)，人們對(duì)應(yīng)用于微型光裝置中的透鏡系統(tǒng)的興趣不斷提高。具體地，對(duì)用來制造小透鏡系統(tǒng)的便利方法和用于耦合微透鏡與微光裝置的有效技術(shù)的研究一直在積極地進(jìn)行。
例如，在1988年1月的《電子通信(Electronics Letters)》Vol.24(2)，pp.109-110中提出了一種在砷化鎵銦/磷化銦(GalnAs/InP)光二極管的表面上形成和制造微透鏡的技術(shù)。根據(jù)該技術(shù)，利用光致抗蝕劑掩模在基片上限定一個(gè)微透鏡區(qū)域，并且利用氬(Ar)粒子束蝕刻技術(shù)來使透鏡成型。
然而，該技術(shù)的一個(gè)問題在于真空室會(huì)受到高濃度Ar離子的污染，Ar離子沖擊蝕刻過程中的光致抗蝕劑掩模。此外，該技術(shù)需要利用昂貴的制造設(shè)備經(jīng)過多個(gè)處理步驟來實(shí)現(xiàn)，使得制造過程復(fù)雜化和提高了制造成本。進(jìn)而，已經(jīng)在公開文本中由掃描式電子顯微鏡(SEM)證實(shí)了，該已經(jīng)公開的技術(shù)不足以提供光滑的透鏡表面。
能應(yīng)用于半導(dǎo)體裝置制造過程的濕化學(xué)蝕刻法可以大致分成限制反應(yīng)蝕刻法和限制擴(kuò)散蝕刻法。限制反應(yīng)蝕刻法是指一種以化學(xué)溶液和半導(dǎo)體基片之間自身的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的濕蝕刻法，通常半導(dǎo)體工藝中采用的大多數(shù)蝕刻法都屬于這一種?；瘜W(xué)反應(yīng)依賴于用作基片的材料的種類和所選用的化學(xué)溶液的成分，因此可以通過改變上述兩種因素來恰當(dāng)?shù)乜刂莆g刻過程。
以蝕刻劑的擴(kuò)散為基礎(chǔ)的限制擴(kuò)散蝕刻法，只限于在特殊結(jié)構(gòu)中使用，而不常用于普通的半導(dǎo)體制造工藝中。用于這種限制擴(kuò)散蝕刻法中的化學(xué)溶液的典型例子是含水溴(Br2)溶液。該溶液相對(duì)于要進(jìn)行蝕刻的目標(biāo)不具有蝕刻選擇性和通過擴(kuò)散無條件地沖擊露出來的半導(dǎo)體基片的表面。由于蝕刻原理以溴的擴(kuò)散為基礎(chǔ)，溴的快速擴(kuò)散使得提供有大量溴的區(qū)域的蝕刻速度提高。與此同時(shí)，溴的擴(kuò)散速度相對(duì)慢和存在少量溴的區(qū)域的蝕刻速度減慢。溴的這些蝕刻特性妨礙了限制擴(kuò)散蝕刻法在半導(dǎo)體裝置制造中的應(yīng)用。
另一方面，通過半導(dǎo)體材料疊層輻射光線的垂直空腔表面輻射激光器(VCSELs)容易與其它光學(xué)元件組合，和易于安裝在其它儀器中，并且也可以設(shè)計(jì)成二維的陣列，因此VCSELs有廣泛的用途。例如，VCSEL可以在光傳遞系統(tǒng)中，例如使用光信號(hào)的光通信或接口中作為光源使用，和在記錄/復(fù)制裝置中作為光學(xué)頭的光源。
參照

圖1，一個(gè)傳統(tǒng)的VCSEL包括基片5；順序?qū)盈B在基片5上的下反射層1、活性層2、高阻抗區(qū)3和上反射層4；形成在上反射層4的除去激光束由此輻射的窗口8以外的區(qū)域上的上電極6；和形成在基片5下面的下電極7。
每個(gè)下反射層1和上反射層4是分布式的Bragg反射層(DBR)，是具有不同折射系數(shù)的半導(dǎo)體材料層的層疊，但有著相反的導(dǎo)電類型。例如，基片5和下反射層1摻雜有同種雜質(zhì)，例如n型，并且上反射層4摻雜有另一種雜質(zhì)，例如，p型。
高阻抗區(qū)3引導(dǎo)電流經(jīng)過上電極6和下電極7進(jìn)入到活性層2的中心。活性層2是這樣的區(qū)域，由來自上下反射層4和1的空穴和電子的組合在此產(chǎn)生光，運(yùn)些空穴和電子是由上、下電極6和7作用的電流誘生的。
在活性層2中產(chǎn)生的光在上、下反射層4和1之間反復(fù)反射和只留下具有與諧振條件一致的波長(zhǎng)的光束，并且穿過窗口8輻射。
然而，在具有上述結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)的VCSEL中，由于窗口8的面積很小，從窗口8輻射出來的激光束有一個(gè)預(yù)定的輻射角，使得需要一個(gè)聚光鏡來聚焦來自VCSEL的發(fā)散光。例如，當(dāng)這種傳統(tǒng)的VCSEL作為光源用于使用光纜的光傳遞系統(tǒng)中時(shí)，該VCSEL和光纜的輸入端之間需要一個(gè)用來聚焦發(fā)散光的聚焦鏡，來提高兩者之間的光耦合。
作為另一個(gè)例子，傳統(tǒng)的VCSEL可以作為光源用于記錄/復(fù)制裝置中的光學(xué)頭，以非接觸方式記錄/復(fù)制來自/向記錄介質(zhì)，例如光盤的信息。在這種情況下，也需要一個(gè)聚焦透鏡來聚焦來自VCSEL的發(fā)散光。
簡(jiǎn)而言之，由于傳統(tǒng)的VCSEL通過窗口輻射發(fā)散光，需要一個(gè)單獨(dú)的聚焦鏡來強(qiáng)化VCSEL和光學(xué)元件之間的光耦合效率。并且，必須通過額外的步驟將該聚焦鏡與來自VCSEL的激光束的光學(xué)中心軸對(duì)準(zhǔn)，其結(jié)果導(dǎo)致復(fù)雜的安裝步驟。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種微透鏡，具有通過限制擴(kuò)散蝕刻法形成的曲面，和一種用限制擴(kuò)散蝕刻法制造高質(zhì)量的微透鏡的簡(jiǎn)單方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種微透鏡和垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的組合及其制造方法，其中微透鏡形成在VCSEL的光輻射表面上，從而不需要單獨(dú)的聚焦鏡和額外的步驟來將該聚焦鏡和來自VCSEL的激光束的光軸對(duì)準(zhǔn)。
本發(fā)明的第一個(gè)目的的一個(gè)方面是由一種微透鏡實(shí)現(xiàn)的，其包括透鏡體元件，和有一定曲率的微透鏡表面，通過蝕刻該透鏡體元件形成的凸形表面，采用有一個(gè)開口的蝕刻掩模應(yīng)用限制擴(kuò)散蝕刻法將透鏡體的露出的一部分形成微透鏡。
本發(fā)明的第一個(gè)目的的另一個(gè)方面是由一種制造微透鏡的方法實(shí)現(xiàn)的，其包括在透鏡體元件上形成一個(gè)蝕刻掩模，其具有將要形成微透鏡的透鏡元件體的一部分露出來的開口；制備化學(xué)腐蝕溶液，其含有對(duì)透鏡體元件進(jìn)行限制擴(kuò)散蝕刻的蝕刻劑；和在化學(xué)蝕刻溶液中蝕刻透鏡體元件，使得由蝕刻掩模露出的透鏡體元件的表面成為凸形。
最好是，該透鏡體元件至少是從硅和III-V化合物組成的半導(dǎo)體材料中的一種制成的，其中該化合物包括磷化銦，砷化鎵，砷化銦，磷化鎵，磷化銦鎵，砷化銦鎵和砷化鋁鎵。
最好是，該限制擴(kuò)散蝕刻是由溴的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的，和化學(xué)蝕刻溶液是用去離子水稀釋的溴溶液，溴化氫溶液、去離子水和過氧化氫的混合物，或者溴化氫溶液、去離子水和酸的混合物。
并且，由于本發(fā)明的原理是以蝕刻劑的擴(kuò)散為基礎(chǔ)的，該化學(xué)蝕刻溶液含有一種溶劑，其具有比水高的粘度來推遲其中所含有的蝕刻劑的擴(kuò)散，使得容易對(duì)蝕刻進(jìn)行控制。例如，該化學(xué)蝕刻溶液可能是溴和甘油的混合物，溴化氫溶液、甘油和過氧化氫的混合物，或溴化氫溶液、甘油和酸的混合物。
本發(fā)明的第二個(gè)目的的一個(gè)方面是由微透鏡和VCSEL的組合實(shí)現(xiàn)的，其中通過VCSEL產(chǎn)生的激光束經(jīng)過微透鏡聚焦并輻射，包括一個(gè)基片；一個(gè)下反射層，形成在基片上，具有相對(duì)較高的反射率；一個(gè)活性層，形成在下反射層上，通過電子和空穴的結(jié)合來產(chǎn)生光束；一個(gè)上反射層，形成在活性層上，具有比下反射層相對(duì)低的反射率；一個(gè)透鏡層，含有具一定曲率的微透鏡，通過在上反射層上涂敷發(fā)射激光的材料和蝕刻該透鏡層上輻射激光束的窗口區(qū)域來形成一個(gè)用于限制擴(kuò)散蝕刻的表面曲面；一個(gè)上電極，形成在透鏡層上窗口區(qū)域以外的范圍上；和一個(gè)下電極，形成在基片下面。
并且，根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合的另一實(shí)施例，其中通過VCSEL產(chǎn)生的激光束經(jīng)過微透鏡聚焦并輻射，包括一個(gè)基片，含有有一曲率的微透鏡，由透過激光的材料和輻射激光束的基片上的窗口區(qū)域來形成一個(gè)用于限制擴(kuò)散蝕刻的表面曲面；一個(gè)下反射層，形成在基片上，具有相對(duì)低的反射率；一個(gè)活性層，形成在下反射層上，通過電子和空穴的結(jié)合來產(chǎn)生光束；一個(gè)上反射層，形成在活性層上，具有比下反射層相對(duì)更高的反射率；一個(gè)上電極，形成在上反射層上；和一個(gè)下電極，形成在基片的底部，除了基片的窗口區(qū)域以外的部分。
最好是，透鏡層或基片是由不吸收激光的具有比輸出的激光束的波長(zhǎng)更寬的帶隙的材料制成，并且該材料至少是由硅和III-V化合物組成的半導(dǎo)體材料中的一種制成的，其中該化合物包括磷化銦，砷化鎵，砷化銦，磷化鎵，磷化銦鎵，砷化銦鎵和砷化鋁鎵。
本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)方面是由一種制造微透鏡和VCSEL的組合的方法來實(shí)現(xiàn)的，該方法包括制備基片；在該基片上形成具有相對(duì)高的反射率的下反射層；在下反射層上形成一個(gè)活性層，用來通過電子和空穴的組合來產(chǎn)生光束；在上反射層上形成一個(gè)由發(fā)射激光的材料制成的透鏡層；在該透鏡層上形成一個(gè)蝕刻掩模，該蝕刻掩模有一個(gè)開口露出該透鏡層上的一個(gè)用來形成微透鏡的窗口區(qū)域；制備化學(xué)蝕刻溶液，含有能使透鏡層進(jìn)行限制擴(kuò)散蝕刻的蝕刻劑；在化學(xué)蝕刻溶液中通過蝕刻劑的擴(kuò)散將由蝕刻掩模的開口露出的透鏡層的窗口區(qū)域蝕刻成具有凸形曲率的微透鏡，清除蝕刻掩模；和除了該窗口區(qū)域以外，在透鏡層的一部分上形成上電極，以及在基片下形成下電極。
根據(jù)本發(fā)明的用于制造微透鏡和VCSEL的組合的方法的另一個(gè)實(shí)施例包括制備一個(gè)由發(fā)射激光的材料制成的基片；在該基片上形成具有相對(duì)低的反射率的下反射層；在下反射層上形成一活性層，用來通過電子和空穴的結(jié)合產(chǎn)生光束；在活性層上形成具有比下反射層相對(duì)高的反射率的上反射層；在基片下形成蝕刻掩模，該蝕刻掩模有一個(gè)開口露出基片上用來形成微透鏡的窗口區(qū)域；制備化學(xué)蝕刻溶液，含有使該基片進(jìn)行限制擴(kuò)散蝕刻的蝕刻劑；在化學(xué)蝕刻溶液中通過蝕刻劑的擴(kuò)散將由蝕刻掩模的開口露出的透鏡層的窗口區(qū)域蝕刻成具有凸形曲率的微透鏡；清除蝕刻掩模；和除了該窗口區(qū)域以外，在透鏡層的一部分上形成上電板，以及在基片下形成下電極。
最好是，化學(xué)蝕刻溶液是用去離子水稀釋的溴溶液，溴化氫溶液、去離子水和過氧化氫的混合物，或者溴化氫溶液、去離子水和酸的混合物?；瘜W(xué)蝕刻溶液中的溶劑可能是水，或具有比水高的粘度的溶劑，如甘油，來推遲其內(nèi)含有的蝕刻劑的擴(kuò)散。
參照附圖通過詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點(diǎn)將更加突出，這些附圖包括圖1是傳統(tǒng)的垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的剖視圖；圖2和3是根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和制造該微透鏡的方法的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的微透鏡的一個(gè)例子的示意圖；圖5是說明使用蝕刻掩模通過蝕刻劑的擴(kuò)散將透鏡體元件蝕刻成有一個(gè)凸形表面的微透鏡的原理圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的組合的優(yōu)選實(shí)施例的剖視圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的組合的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的剖視圖；參照?qǐng)D2和3，根據(jù)本發(fā)明的微透鏡包括一個(gè)半導(dǎo)體元件10，用來形成透鏡體，和一個(gè)微透鏡曲面部分30，通過放置在半導(dǎo)體元件10上的蝕刻掩模的開口“h”用限制擴(kuò)散蝕刻法將半導(dǎo)體元件10的暴露的部分蝕刻成有曲面的凸形表面。
半導(dǎo)體元件10至少是由硅和III-V化合物組成的半導(dǎo)體材料中的一種制成的，其中該化合物包括磷化銦(InP)，砷化鎵(GaAs)，砷化銦(InAs)，磷化鎵(GaP)，磷化銦鎵(InGaAs)，砷化銦鎵(InGaAs)和砷化鋁鎵(AlGaAs)。
圖2說明半導(dǎo)體元件10上已經(jīng)形成有蝕刻掩模20的狀態(tài)。對(duì)于圖2的結(jié)構(gòu)，在半導(dǎo)體元件10的用來形成透鏡的表面上，首先以預(yù)定的厚度，例如100nm厚，鋪設(shè)氮化硅層或氧化硅層等絕緣層。
接下來，在絕緣層上涂敷光致抗蝕劑層和進(jìn)入光刻程序來露出成為微透鏡的區(qū)域。然后，該絕緣層上露出的區(qū)域受到活性離子的蝕刻(RIE)和清除該光致抗蝕劑層，其結(jié)果在于得到有開口“h”的蝕刻掩模20。
該蝕刻掩模20可以由光致抗蝕劑單獨(dú)形成，但是最好是前面所提到的絕緣層能應(yīng)用在蝕刻掩模20的形成中，從而防治在接下來的濕蝕刻過程中蝕刻通道受到光致抗蝕劑的污染。此外，該蝕刻掩模20可以由金屬材料制成。
開口“h”的直徑等于要形成的微透鏡的尺寸，可以在幾微米至幾百微米的數(shù)量級(jí)上。圖2說明的是用于球形微透鏡的圓形開口“h”的例子，然而，該開口“h”的形狀可以根據(jù)想要的微透鏡的形狀而變化。例如，開口“h”可以為狹縫狀用于柱狀微透鏡。此外，也可以形成多個(gè)開口用于微透鏡組。
接下來，制備一種化學(xué)蝕刻溶液，其含有適當(dāng)濃度的蝕刻劑，能夠促進(jìn)半導(dǎo)體元件10的限制擴(kuò)散蝕刻。該蝕刻劑可以是溴。當(dāng)溴用作為蝕刻劑時(shí)，可以通過溴的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)限制擴(kuò)散蝕刻。
為了稀釋該化學(xué)蝕刻溶液，使用去離子水。該用去離子水稀釋的化學(xué)蝕刻溶液可以包括去離子水稀釋的溴溶液(Br2)，溴化氫(HBr)溶液、去離子水和過氧化氫(H2O2)的混合物，或者溴化氫(HBr)溶液、去離子水和酸如氮酸(HNO3)的混合物。該溴化氫溶液表示一種含水溴化氫，即氫溴酸(HBr·H2O)。然而，也可以通過在去離子水以外的溶劑中稀釋來制備溴化氫溶液。
當(dāng)通過將溴化氫溶液與去離子水或酸等活性溶液反應(yīng)來制備含有溴的化學(xué)蝕刻溶液時(shí)，最好是在加入活性溶液之前用去離子水稀釋該溴化氫溶液，使得該溴化氫溶液和活性溶液之間的反應(yīng)以合適的速度進(jìn)行。
由于本發(fā)明涉及在化學(xué)蝕刻溶液中含有蝕刻劑擴(kuò)散的基礎(chǔ)上的濕蝕刻，為了易于控制蝕刻希望推遲蝕刻劑的擴(kuò)散。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以使用粘度比去離子水高的溶劑，例如甘油來作為稀釋劑。
含有甘油作為溶劑的化學(xué)蝕刻溶液可以是溴(Br2)和甘油的混合物，溴化氫溶液、甘油和過氧化氫(H2O2)的混合物，或者溴化氫溶液、甘油和酸的混合物。
化學(xué)蝕刻溶液制備好之后，將帶有蝕刻掩模20的半導(dǎo)體元件10浸入到該化學(xué)蝕刻溶液中放置一定時(shí)間，例如，幾分鐘到幾十分鐘，允許該蝕刻劑通過開口“h”將半導(dǎo)體元件10的露出部分蝕刻成具有凸形表面的微透鏡30，如圖3所示。微透鏡30的凸形表面是由于溴擴(kuò)散的空間蝕刻速度不同引起的。
在蝕刻過程中，含有半導(dǎo)體元件10的化學(xué)蝕刻溶液靜置反應(yīng)。微透鏡30的曲率由化學(xué)蝕刻溶液的濃度和反應(yīng)時(shí)間所決定。
微透鏡30已經(jīng)完成之后，在特定的情況下清除用作蝕刻掩模20的絕緣層。
在由本發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，通過涂敷大約100nm厚度的氮化硅層在InP半導(dǎo)體元件上形成一個(gè)蝕刻掩模，并且該結(jié)構(gòu)放入化學(xué)蝕刻溶液中幾分鐘，例如5分鐘進(jìn)行蝕刻來形成一個(gè)微透鏡。為了制備該化學(xué)蝕刻溶液，用200ml的去離子水稀釋20ml的氫溴酸(HBr·H2O2，濃度大約為48-50％)，并與10ml的H2O2(濃度大約為34.02％)反應(yīng)10分鐘。然后，將400ml的去離子水加入該混合物。這里，該化學(xué)蝕刻溶液的成分可以變化。
可以通過在半導(dǎo)體制造過程中用來測(cè)量集成電路元件布局特性的AlphaStep500來測(cè)量在實(shí)驗(yàn)中得到微透鏡的輪廓，并且結(jié)果如圖4所示。如圖4所示，可以看到該微透鏡有一個(gè)光滑的凸形表面。
至此以后，參照?qǐng)D5說明在蝕刻劑40的擴(kuò)散作用下通過開口“h”將半導(dǎo)體元件10的露出的表面蝕刻成凸形微透鏡30的原理。
隨著帶有蝕刻掩模20的半導(dǎo)體元件10浸入到含有蝕刻劑40的化學(xué)蝕刻溶液中，尋找蝕刻目標(biāo)的溴通過擴(kuò)散進(jìn)入到蝕刻掩模20的開口“h”中，并且到達(dá)半導(dǎo)體元件10的露出的表面。因?yàn)榭雌饋砀笫峭ㄟ^蝕刻半導(dǎo)體元件10的露出的表面的邊緣溴在到達(dá)該半導(dǎo)體元件10的露出表面的中心之前消失了，半導(dǎo)體元件10的蝕刻路徑在其露出的表面的邊緣比中心深。換句話說，蝕刻深度在箭頭“d”所指的方向上遞減，在該露出的表面的中心達(dá)到最小值，其結(jié)果在于在該半導(dǎo)體元件10上形成有凸形表面的微透鏡30。
在蝕刻過程中，為控制蝕刻劑40，即溴的擴(kuò)散速度，除粘度比去離子水高的溶劑，例如甘油以外，去離子水可以作為溶劑用在含有溴的化學(xué)蝕刻溶液中。
圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VSCEL的組合的優(yōu)選實(shí)施例的剖視圖。參照?qǐng)D6，該微透鏡和VCSEL的組合包括一個(gè)基片100；順序?qū)盈B在基片100上的下反射層100、活性層120、上反射層140和透鏡層150；在透鏡層150除了從中輻射激光束的窗口區(qū)域180之外的部分上形成上電極160；和形成在基片100之下的下電極170。
基片100可以由半導(dǎo)體材料形成，例如n型摻雜的GaAs，AlGaAs，InAs，InP，GaP，InGaP，InGaAs或GaP。
每個(gè)下反射層110和上反射層140是由交替的有不同折射系數(shù)的半導(dǎo)體混合劑形成的，并且摻雜有不同類型的雜質(zhì)。
對(duì)于圖6中所示的結(jié)構(gòu)，大部分激光束從上反射層140輻射，上反射層140與下反射層110相比由具有相對(duì)高的反射率的材料形成。該反射層的反射率根據(jù)形成它的半導(dǎo)體混合劑的層數(shù)不同而變化。于是，通過用少于形成下反射層110的材料層來形成反射層140，該上反射層140的反射率小于下反射層110的。
對(duì)于上面所提到的結(jié)構(gòu)，如果基片摻雜有n型雜質(zhì)，該下反射層110摻雜有同樣的n型雜質(zhì)但上反射層140摻雜有p型雜質(zhì)。
通過上下電極160和170的作用，上下反射層140，110在電流的作用下引起電子和空穴的流動(dòng)，允許活性層120產(chǎn)生激光束，和在活性層120中產(chǎn)生的激光反復(fù)反射，并且只有符合諧振條件的激光束穿過上反射層140輻射。
活性層120，在該區(qū)域由于上下反射層140和110提供的空穴和電子的組合的能量交換產(chǎn)生激光束，有一個(gè)單個(gè)或多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)或超格柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)輸出的激光束的波長(zhǎng)，該活性層120可以由，例如GaAs，AlGaAs，InGaP，InGaAs和/或AlGaAsP形成。
最好是，高阻抗區(qū)域130夾在活性層120和上反射層140之間，用于引導(dǎo)通過上電極160作用的電流進(jìn)入到活性層120的中心來產(chǎn)生光。圖6中所示的高阻抗區(qū)域130可以是由氫核等離子的注入來實(shí)現(xiàn)的。在選擇的氧化物中，一個(gè)預(yù)氧化層(圖中沒有示出)涂敷并暴露在氧氣中，結(jié)果導(dǎo)致在該預(yù)氧化物層的露出區(qū)域處的一個(gè)絕緣的氧化層作為高阻抗區(qū)域。
透鏡層150，對(duì)應(yīng)于圖2的微透鏡的半導(dǎo)體元件10，以預(yù)定的厚度，例如幾微米的厚度形成在上反射層140上。最好是，該透鏡層150是由能夠與用于上反射層140的材料的格柵匹配的半導(dǎo)體材料的混合劑形成的，和相對(duì)于VCSEL產(chǎn)生的激光的波長(zhǎng)有更寬的帶隙，使得不吸收，但僅僅傳送經(jīng)過該上反射層140的激光束。
例如，如果將VCSEL設(shè)計(jì)成發(fā)射波長(zhǎng)為500至900nm的激光束，該透鏡層150可以由InGaP形成。這里，In和Ga的成分比例可以根據(jù)所需要的輸出的激光束的波長(zhǎng)的變化，例如850nm，780nm或660nm而變化。
換句話說，如果將VCSEL設(shè)計(jì)成發(fā)射波長(zhǎng)為980nm的激光束，該透鏡層150可以由GaAs形成。
此外，根據(jù)VCSEL輸出的激光束的波長(zhǎng)，該透鏡層150至少是由包括InP，GaAs，InAs，GaP，InGaP和InGaAs的硅和III-V化合物組成的半導(dǎo)體材料中的一種制成。
透鏡層150在它的用于輻射激光的窗口區(qū)域180處有一個(gè)具有凸形表面的微透鏡155。穿過透鏡層150的激光受到微透鏡155的聚焦并穿過窗口區(qū)域180輻射。
根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合，輸出的經(jīng)過聚焦的光束的焦距由微透鏡15的曲率和透鏡層150的厚度來決定。
上電極160形成在透鏡層150上除了窗口180以外的區(qū)域上，和下電極170形成在基片100的下面。
當(dāng)向前加偏壓的電流通過上下電極160和170作用到根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的微透鏡和VCSEL的組合上時(shí)，在高阻抗區(qū)域130的導(dǎo)引下電流進(jìn)入到活性層120的中心，和來自上下反射層160和170的電子和空穴組合在活性層120中產(chǎn)生光束。所產(chǎn)生的光束在上下反射層140和110中反復(fù)反射并且只有具有與諧振條件相一致的特定波長(zhǎng)的光束保留下來并穿過上反射層140。該穿過上反射層140的光束在經(jīng)過透鏡層150的過程中被微透鏡155聚焦，并且隨后輻射。
因此，根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合不需要相對(duì)于單獨(dú)的聚焦透鏡的光軸對(duì)準(zhǔn)，這一點(diǎn)在傳統(tǒng)的VCSEL中是需要的。因此，根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合保證了來自VCSEL的激光束與例如光傳遞系統(tǒng)或記錄/回放裝置中的光學(xué)頭等光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)元件之間的充分耦合。該光傳遞系統(tǒng)是指一種系統(tǒng)通過使用光信號(hào)的光纜和接口提供光學(xué)通信。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL用來在非限定的空間中使用光信號(hào)進(jìn)行分界面時(shí)，光發(fā)射和接收部分的安排上的自由程度增大并且可以采用有相對(duì)小的光接收面積的光接收器，這對(duì)于光信號(hào)的發(fā)射和接收是允許的。并且，根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合可以在更緊湊的結(jié)構(gòu)中以包括或不包括光接收器的陣列的方式形成。
至此以后，將說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的一種用于制造微透鏡和VCSEL的組合的方法。首先，制備基片100。接下來，具有相對(duì)高的反射率的下反射層110、通過電子空穴對(duì)來產(chǎn)生光束的活性層120、具有相對(duì)低的反射率的上反射層140、和由不吸收激光的材料形成的例如幾微米厚的透鏡層150順序地層疊在基片100上，由此得到圖6中所示的輻射激光的表面的基本結(jié)構(gòu)。
接下來，具有限定形成在它上面的微透鏡155的形狀的開口的蝕刻掩模形成在透鏡層150上。為了蝕刻掩模的構(gòu)成，在透鏡層150上涂敷一個(gè)蝕刻掩模層，并且部分受到蝕刻來形成露出透鏡層150的窗口區(qū)域180的開口。
開口的直徑等于所需要的微透鏡155的尺寸，可以在幾微米到幾百微米之間變化。此外，開口的形狀根據(jù)微透鏡155的形狀、和進(jìn)而根據(jù)窗口區(qū)域180的形狀不同而改變。
在制造微透鏡和VCSEL組的組合的情況下，根據(jù)所需要的VCSEL組的結(jié)構(gòu)可以增加開口的個(gè)數(shù)。
該有開口的蝕刻掩模實(shí)質(zhì)上與圖2和3中的一樣，在說明微透鏡的結(jié)構(gòu)中已經(jīng)提到，并且因此不再重復(fù)對(duì)它的說明和描述。
至此以后，制備化學(xué)蝕刻溶液，其含有適當(dāng)深度的蝕刻劑能夠通過限制擴(kuò)散蝕刻對(duì)透鏡層150進(jìn)行蝕刻。該含有蝕刻掩模的結(jié)構(gòu)浸入到化學(xué)蝕刻溶液中放預(yù)定的一段時(shí)間，例如幾分鐘到幾十分鐘，允許蝕刻劑對(duì)透鏡層150的露出的表面進(jìn)行蝕刻，得到有凸形表面的微透鏡155。
可以使用的化學(xué)蝕刻溶液和利用化學(xué)蝕刻溶液的蝕刻劑的擴(kuò)散通過開口將透鏡層150蝕刻成凸形微透鏡155的原理基本上與參照?qǐng)D2至5的這些說明相同，因此不再重復(fù)這些詳細(xì)的說明。
在利用化學(xué)蝕刻溶液將所有所需要的曲率的微透鏡155形成在透鏡150上之后，該蝕刻掩模由例如活性離子蝕刻(RIE)去除。
然后，上電極160形成在透鏡層150上的除了放有微透鏡155的窗口區(qū)域180以外的部分上，并且下電極170形成在基片100的下面，從而如圖6所示的根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合已經(jīng)完成。
在前面所述的實(shí)施例中，如果采用的是金屬制成的蝕刻掩模，該蝕刻掩?？梢圆槐厝コ沟盟軌蜃鳛樯想姌O160的基層或本身作為上電極160。
圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其中同樣的附圖標(biāo)記代表與圖6中的作用和結(jié)構(gòu)相同的元件。參照?qǐng)D7，該微透鏡和VCSEL的組合包括有一個(gè)窗口區(qū)域280的基片200，其由能夠發(fā)射所需要的波長(zhǎng)的激光的材料制成；下反射層200、活性層120和上反射層240順序?qū)盈B在基片200上；上電極260形成在上反射層240上；和下電極270形成在基片200上除了輻射激光束的窗口區(qū)域280以外的部分的下面。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的微透鏡和VCSEL的組合的特征在于激光束從基片200輻射。
由于該結(jié)構(gòu)具有上面所述的特征，所形成的下反射層210具有比上反射層240低的反射率。例如，通過用少于上反射層240的層數(shù)來形成下反射層210，能夠得到與上反射層240相比具有相對(duì)低的反射率的下反射層210，由此允許下反射層210輻射大部分激光束。用來形成上下反射層240和210的材料、和它們的層疊結(jié)構(gòu)與參照?qǐng)D6所述明的相同，因此不再重復(fù)這些說明。
最好是，與圖6所示的透鏡層150相似，來自下反射層210的激光束所穿過的基片200，是由具有比輸出的激光束的波長(zhǎng)更寬的帶隙的材料形成的，使得幾乎不會(huì)發(fā)生基片200對(duì)激光束的吸收。
微透鏡205形成在基片200的窗口區(qū)域280上，由此輻射激光束。通過限制擴(kuò)散蝕刻法在基片200上形成微透鏡205的原理實(shí)質(zhì)上與參照?qǐng)D2與5所述明的微透鏡的形成是相同的，因此不再重復(fù)詳細(xì)的說明。
當(dāng)向前加偏壓的電流通過上下電極260和270作用到如圖7所示的微透鏡和VCSEL的組合上時(shí)，在高阻抗區(qū)域130的導(dǎo)引下電流進(jìn)入到活性層120的中心，和來自上下反射層240和210的電子和空穴組合在活性層120中產(chǎn)生光束。所產(chǎn)生的光束在上下反射層240和210中反復(fù)反射并且只有具有與諧振條件相一致的特定波長(zhǎng)的光束保留下來并穿過下反射層210。該穿過下反射層210的光束在經(jīng)過基片200的過程中被微透鏡205聚焦，并且隨后輻射。
現(xiàn)在將說明用于制造圖7所示的微透鏡和VCSEL的組合的方法的另一個(gè)實(shí)施例。首先，用不吸收所需要的波長(zhǎng)的激光束的材料制備基片200。接下來，具有相對(duì)低的反射率的下反射層210、活性層120、和具有高于下反射層21的反射率的上反射層240順序?qū)盈B在基片200上，得到圖7所示的表面輻射激光器的基本結(jié)構(gòu)。
接下來，利用圖2至5所述明的微透鏡形成步驟，通過蝕刻劑的擴(kuò)散對(duì)基片200的窗口區(qū)域280進(jìn)行蝕刻，在基片200的底部上形成具有凸形表面的微透鏡205。
然后，上電極260形成在上反射層240上，并且下電極270形成在基片200上除了有微透鏡205的窗口區(qū)域280以外的底部部分上，從而得到圖7所示的根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合。
如上所述，可以通過簡(jiǎn)單的限制擴(kuò)散蝕刻法來制造根據(jù)本發(fā)明的高質(zhì)量的微透鏡。而且，根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合，其中用來聚焦輸出激光束的微透鏡形成在VCSEL的光輻射表面上，能夠消除將單獨(dú)的聚焦鏡與輸出激光束的光軸進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的需要。
因此，根據(jù)本發(fā)明的微透鏡和VCSEL的組合可以應(yīng)用于例如光傳遞系統(tǒng)/記錄回放裝置中的光學(xué)頭等光學(xué)系統(tǒng)中，不需要對(duì)準(zhǔn)光軸的額外步驟，從而減小光學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)成本。
雖然此處參照其優(yōu)選實(shí)施例具體顯示和說明了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解在不超出所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以得出各種變形和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種微透鏡，包括一透鏡體元件；和具有曲率的微透鏡表面，利用有將要成為微透鏡的透鏡體的一部分露出來的開口的蝕刻掩模，通過限制擴(kuò)散蝕刻法將透鏡體元件蝕刻成凸形表面來形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微透鏡，其中，所述透鏡體元件至少是由硅和III-V化合物組成的半導(dǎo)體材料中的一種制成的，其中所述化合物包括磷化銦，砷化鎵，砷化銦，磷化鎵，磷化銦鎵，砷化銦鎵和砷化鋁鎵。
3.一種制造微透鏡的方法，包括在透鏡體元件上形成一個(gè)蝕刻掩模，其具有用來露出透鏡元件體的一部分來形成微透鏡的開口；制備化學(xué)腐蝕溶液，其含有對(duì)透鏡體元件進(jìn)行限制擴(kuò)散蝕刻的蝕刻劑；和在化學(xué)蝕刻溶液中蝕刻透鏡體元件，使得由蝕刻掩模露出的透鏡體元件的表面成為凸形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述透鏡體元件至少是由硅和III-V化合物組成的半導(dǎo)體材料中的一種制成的，其中所述化合物包括磷化銦，砷化鎵，砷化銦，磷化鎵，磷化銦鎵，砷化銦鎵和砷化鋁鎵。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述的限制擴(kuò)散蝕刻是由溴的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述化學(xué)蝕刻溶液是從以下組合中選擇的一種用去離子水稀釋的溴溶液，溴化氫溶液、去離子水和過氧化氫的混合物，或者溴化氫溶液、去離子水和酸的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述的酸是氮酸。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述化學(xué)蝕刻溶液含有一種溶劑，其具有比水高的粘度來推遲其中所含有的蝕刻劑的擴(kuò)散。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中化學(xué)蝕刻溶液是溴和甘油的混合物，溴化氫溶液、甘油和過氧化氫的混合物，或溴化氫溶液、甘油和酸的混合物中的一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述的酸是氮酸。
11.一種微透鏡和垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的組合，其中通過VCSEL產(chǎn)生的激光束經(jīng)過聚焦并通過微透鏡輻射，包括一個(gè)基片；一個(gè)下反射層，形成在基片上，具有相對(duì)較高的反射率；一個(gè)活性層，形成在下反射層上，通過電子和空穴的結(jié)合來產(chǎn)生光束；一個(gè)上反射層，形成在活性層上，具有比下反射層相對(duì)低的反射率；一個(gè)透鏡層，具有曲率的微透鏡，通過在上反射層上淀積透過激光的材料和蝕刻所述透鏡層上輻射激光束的窗口區(qū)域來形成一個(gè)用于限制擴(kuò)散蝕刻的表面曲面；一個(gè)上電極，形成在透鏡層上窗口區(qū)域以外的范圍上；和一個(gè)下電極，形成在基片下面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的微透鏡和VCSEL的組合，其中所述透鏡層是由不吸收激光的具有比輸出的激光束的波長(zhǎng)更寬的帶隙的材料制成，并且所述材料至少是由硅和III-V化合物組成的半導(dǎo)體材料中的一種制成的，其中所述化合物包括磷化銦，砷化鎵，砷化銦，磷化鎵，磷化銦鎵，砷化銦鎵和砷化鋁鎵。
13.一種微透鏡和垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的組合，其中通過VCSEL產(chǎn)生的激光束通過微透鏡聚焦并輻射，包括一個(gè)含有具一曲率的微透鏡的基片，由透過激光的材料形成，并且輻射激光束的基片上的窗口區(qū)域，被限制擴(kuò)散蝕刻的具有表面曲面；一個(gè)下反射層，形成在基片上，具有相對(duì)低的反射率；一個(gè)活性層，形成在下反射層上，通過電子和空穴的結(jié)合來產(chǎn)生光束；一個(gè)上反射層，形成在活性層上，具有比下反射層相對(duì)更高的反射層；一個(gè)上電極，形成在上反射層上；和一個(gè)除了基片的窗口區(qū)域以外，形成在基片的底部的下電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的微透鏡和VCSEL的組合，其中所述基片是由不吸收激光的具有比輸出的激光束的波長(zhǎng)更寬的帶隙的材料制成，并且所述材料至少是由硅和III-V化合物組成的半導(dǎo)體材料中的一種制成的，其中所述化合物包括磷化銦，砷化鎵，砷化銦，磷化鎵，磷化銦鎵，砷化銦鎵和砷化鋁鎵。
15.一種制造微透鏡和垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的組合的方法，包括制備基片；在所述基片上形成具有相對(duì)高的反射率的下反射層；在下反射層上形成一個(gè)活性層，用來通過電子和空穴的組合來產(chǎn)生光束；在上反射層上形成一個(gè)由允許激光穿過的材料制成的透鏡層；在所述透鏡層上形成一個(gè)蝕刻掩模，所述蝕刻掩模有一個(gè)開口露出所述透鏡層上的一個(gè)用來形成微透鏡的窗口區(qū)域；制備化學(xué)蝕刻溶液，其含有能對(duì)透鏡層進(jìn)行限制擴(kuò)散蝕刻的蝕刻劑；在化學(xué)蝕刻溶液中通過蝕刻劑的擴(kuò)散將由蝕刻掩模的開口露出的透鏡層的窗口區(qū)域蝕刻成具有凸形曲率的微透鏡；清除蝕刻掩模；和除了所述窗口區(qū)域以外，在透鏡層的一部分上形成上電極，以及在基片下形成下電極。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述的限制擴(kuò)散蝕刻是由溴的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述化學(xué)蝕刻溶液是從以下組合中選擇的一種用去離子水稀釋的溴溶液，溴化氫溶液、去離子水和過氧化氫的混合物，或者溴化氫溶液、去離子水和酸的混合物。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述化學(xué)蝕刻溶液含有一種溶液，其具有比水高的粘度來推遲其中所含有的蝕刻劑的擴(kuò)散。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中化學(xué)蝕刻溶液是溴和甘油的混合物，溴化氫溶液、甘油和過氧化氫的混合物，或溴化氫溶液、甘油和酸的混合物中的一種。
20.一種用于制造微透鏡和垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的組合的方法，包括制備一個(gè)由允許激光穿過的材料制成的基片；在所述基片上形成具有相對(duì)低的反射率的下反射層；在下反射層上形成一活性層，用來通過電子和空穴的結(jié)合產(chǎn)生光束；在活性層上形成具有比下反射層相對(duì)高的反射率的上反射層；在基片下形成蝕刻掩模，所述蝕刻掩模有一個(gè)開口露出基片上用來形成微透鏡的窗口區(qū)域；制備化學(xué)蝕刻溶液，其含有對(duì)所述基片進(jìn)行限制擴(kuò)散蝕刻的蝕刻劑；在化學(xué)蝕刻溶液中通過蝕刻劑的擴(kuò)散將由蝕刻掩模的開口露出的透鏡層的窗口區(qū)域蝕刻成具有凸形曲率的微透鏡；清除蝕刻掩模；和除了所述窗口區(qū)域以外，在透鏡層的一部分上形成上電極，以及在基片底部形成下電極。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述的限制擴(kuò)散蝕刻是由溴的擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述化學(xué)蝕刻溶液是從以下組合中選擇的一種用去離子水稀釋的溴溶液，溴化氫溶液、去離子水和過氧化氫的混合物，或者溴化氫溶液、去離子水和酸的混合物。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中所述化學(xué)蝕刻溶液含有一種溶劑，其具有比水高的粘度來推遲其中所含有的蝕刻劑的擴(kuò)散。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中化學(xué)蝕刻溶液是溴和甘油的混合物，溴化氫溶液、甘油和過氧化氫的混合物，以及溴化氫溶液、甘油和酸的混合物中的一種。
全文摘要
一種微透鏡,通過利用具有用來限定半導(dǎo)體元件上的成為微透鏡的凸形表面的開口的蝕刻掩模,在化學(xué)蝕刻溶液中蝕刻半導(dǎo)體元件形成,所述溶液含有能對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行限制擴(kuò)散蝕刻的蝕刻劑;和一種微透鏡和垂直空腔表面輻射激光器(VCSEL)的組合,其中微透鏡形成在由限制擴(kuò)散蝕刻的激光輻射表面的窗口區(qū)域上。
文檔編號(hào)H01S5/183GK1266204SQ0010650
公開日2000年9月13日 申請(qǐng)日期2000年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月19日
發(fā)明者李定觀, 田憲秀, 申鉉國(guó) 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社