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TWI880037B - 更短氧化長度和/或更多溝槽的垂直腔面射型雷射器設計 - Google Patents

更短氧化長度和/或更多溝槽的垂直腔面射型雷射器設計 Download PDF

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TWI880037B
TWI880037B TW110137206A TW110137206A TWI880037B TW I880037 B TWI880037 B TW I880037B TW 110137206 A TW110137206 A TW 110137206A TW 110137206 A TW110137206 A TW 110137206A TW I880037 B TWI880037 B TW I880037B
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阿吉 維傑 布爾維
荷塞尼 多科特 穆汗默德 阿里 席拉吉
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美商盧曼頓運作有限公司
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Abstract

在一些實施方式中，面射型雷射器可以具有具有短氧化長度和/或大量溝槽的發射器設計。例如，面射型雷射器可以包括金屬化層，該金屬化層包括從內環部分的周邊向外延伸的多個延伸部分，以及以部分環形從多個延伸部分側向延伸的多個翼片。面射型雷射器可以進一步包括將金屬化層連接到鍍覆金屬的多個通孔開口，其中每個通孔開口位於多個翼片中的相應翼片上方。面射型雷射器可以包括多個氧化溝槽，每個氧化溝槽形成在多個延伸部分的一對延伸部分之間的角間隙中，使得多個翼片和多個通孔開口僅在多個氧化溝槽的外半徑之外。

Description

更短氧化長度和/或更多溝槽的垂直腔面射型雷射器設計
本發明總體上涉及一種垂直腔面射型雷射器（VCSEL）和一種使VCSEL能夠具有短氧化長度和/或大量溝槽蝕刻區域的發射器設計。 相關申請的交叉引用
本專利申請案主張2020年12月23日提交的美國臨時專利申請第63/129,871號的優先權，其標題為“VERTICAL CAVITY SURFACE EMITTING LASER DESIGN WITH SHORTER OXIDATION LENGTH AND/OR LARGER NUMBER OF TRENCHES”，在先申請案的揭示內容被認為是本專利申請案的一部分，並通過引用結合到本專利申請案中。
諸如垂直腔面射型雷射器（VCSEL）這樣的垂直發射裝置是這樣一種雷射器，其中雷射束在平行於基板表面的方向上發射（例如，從半導體晶圓的表面垂直發射）。與邊緣發射裝置相比，垂直發射裝置可以允許在晶圓製造的中間步驟進行測試。
在一些實施方式中，一種垂直腔面射型雷射器（VCSEL）包括：佈植保護層，包括圓形部分；p歐姆金屬層，包括環形部分、從環形部分的周邊向外延伸的多個延伸部分、以及從多個延伸部分側向延伸的多個翼片，其中p歐姆金屬層形成在佈植保護層上；多個通孔開口，形成在通孔層上，將p歐姆金屬層連接到鍍覆金屬層，其中所述多個通孔開口中的一通孔開口位於所述p歐姆金屬層的多個翼片中的一翼片上；和多個氧化溝槽，其中所述p歐姆金屬層的多個延伸部分延伸到所述多個氧化溝槽的外半徑之外，使得多個翼片和多個通孔開口僅在多個氧化溝槽的外半徑之外。
在一些實施方式中，一種面射型雷射器包括：歐姆金屬化層，包括內環部分、從內環部分的周邊向外延伸的多個延伸部分、以及以部分環形從多個延伸部分側向延伸的多個翼片；多個通孔開口，將歐姆金屬化層連接到鍍覆金屬，其中所述多個通孔開口中的每個通孔開口位於所述多個翼片中的相應翼片上方；和多個氧化溝槽，每個氧化溝槽形成在多個延伸部分中的一對延伸部分之間的角間隙中，使得多個翼片和多個通孔開口僅在多個氧化溝槽的外半徑之外。
在一些實施方式中，一種雷射器陣列包括：多個VCSEL，其中所述多個VCSEL每一個具有大於15微米的氧化物孔，其中所述多個VCSEL中的兩個VCSEL之間的最小發射器到發射器距離大於30微米，並且其中所述多個VCSEL中的一個VCSEL包括：歐姆金屬化層，包括內環部分、從內環部分的周邊向外延伸的多個延伸部分、以及以部分環形從多個延伸部分側向延伸的多個翼片；多個通孔開口，每個通孔開口位於所述多個翼片中的相應翼片上方；和多個氧化溝槽，每個氧化溝槽形成在所述多個延伸部分中的一對相鄰延伸部分之間的角間隙中，使得所述多個翼片和所述多個通孔開口僅在所述多個氧化溝槽的外半徑之外。
示例性實施方式的以下詳細描述參考了附圖。不同附圖中的相同元件符號可以標識相同或相似的元件。
諸如垂直腔面射型雷射器（VCSEL）的垂直發射裝置是這樣一種雷射器，其中雷射束在平行於基板表面的方向上發射（例如，從半導體晶圓的表面垂直發射）。與邊緣發射裝置相比，垂直發射裝置可以允許在晶圓製造的中間步驟進行測試。在一些情況下，可以排列多個垂直發射裝置以形成陣列。例如，多個垂直發射裝置（本文稱為發射器）可以被佈置成形成VCSEL陣列，例如網格VCSEL陣列（例如，其中多個發射器被均勻地間隔開，並且氧化溝槽可以被兩個或多個發射器共享）或非網格VCSEL陣列（例如，其中多個發射器被不均勻地間隔開，並且每個發射器需要一組氧化溝槽，這些氧化溝槽可以被共享，也可以不被共享）。
設計VCSEL陣列時的一個因素是VCSEL陣列內的發射器密度。增加VCSEL陣列內的發射器密度（例如，減小發射器之間的空間）可以允許在其上構造VCSEL陣列的集成電路（IC）的尺寸減小和/或成本降低（例如，同時實現與VCSEL陣列相同的功率輸出而不減小間距）。對於非網格VCSEL陣列（例如，其中發射器相對於彼此以不均勻的距離和/或角度佈置），每個發射器可能需要單獨的一組氧化溝槽。這可能引入對VCSEL陣列的發射器之間的最小間距的限制（例如，對於與製造VCSEL陣列相關聯的一組給定的設計規則），從而限制非網格VCSEL陣列的密度。一種可以減小非網格VCSEL陣列中的發射器之間的間距的技術是通過減小一個或多個發射器層（例如溝槽層（例如，一組氧化溝槽）、p歐姆金屬層和/或電介質通孔開口）的寬度。然而，由於與製造發射器相關的製造限制和/或與發射器相關的設計考慮，這種減小可能是困難的和/或不可能的。
因此，在一些情況下，發射器可以被設計成緊湊的佈局，該佈局能夠減小VCSEL陣列的發射器之間的間距，從而允許增加VCSEL陣列內的發射器密度，同時實現相同或相似的性能水平。例如，下面將進一步詳細描述的圖2A-2C和圖2E提供了示例性緊湊發射器佈局，其允許包括在VCSEL陣列中的各種發射器的尺寸減小，而不犧牲整體性能（例如，在輸出功率、波長、發射輪廓和/或可靠性方面）。例如，發射器間距的減小可以通過對一個或多個發射器層使用分裂式架構（split architecture）來實現，例如p歐姆金屬層（例如，金屬層）、佈植保護層（例如，由隔離材料形成）和/或電介質通孔開口。通過使一個或多個發射器層（例如，p歐姆金屬層和電介質通孔開口）與氧化溝槽相交叉（interdigitized）（例如，使得一個或多個層的延伸部分部分位於相應的氧化溝槽之間，如圖2A-2C和圖2E所示），分裂式架構通常可以允許利用氧化溝槽之間的空間。由於利用了氧化溝槽之間的空間，可以減小發射器的尺寸，從而允許在非網格VCSEL陣列中增加發射器密度。
在一些情況下，儘管能夠增加發射器密度並在性能、可靠性和可製造性之間提供平衡，但是當需要更短的氧化長度和/或更多數量的溝槽時，緊湊的發射器設計可能具有各種缺點。例如，在VCSEL中，通過在從氧化溝槽朝向氧化物孔的方向上氧化VCSEL的氧化物孔周圍的材料，電流通常被約束在氧化物孔內。因此，在具有相對遠離氧化物孔的氧化溝槽的緊湊發射器設計中，可能需要氧化更大量的材料。如果氧化溝槽移動得更靠近氧化物孔，則相鄰氧化溝槽之間的距離可能明顯大於氧化長度（例如，大於兩倍），這可能導致載子洩漏。減輕載子洩漏並保持載子約束（例如，在氧化將電流流阻擋在氧化物孔外部的情況下）的一種潛在方法是通過減小p金屬和/或通孔特徵尺寸來減小相鄰溝槽之間的距離。然而，較小的特徵尺寸會帶來製造困難。
本文所述的一些實施方式提供了一種發射器佈局，其能夠實現比緊湊的發射器佈局更短的氧化長度（例如，低於5微米（5µm））和/或大量溝槽（例如，多於9個溝槽），並且具有明顯更高的製造公差，並且不損害性能或可靠性。例如，如本文進一步詳細描述的，發射器佈局可以包括歐姆金屬化層，該歐姆金屬化層具有內環部分、從內環部分的周邊向外延伸的各種延伸部分、以及以部分環形從延伸部分側向延伸的各種翼片（tab）。因此，在一些實施方式中，將歐姆金屬化層連接到鍍覆金屬的通孔開口可以各自位於相應的翼片上方，由此可以在歐姆金屬化層中的一對延伸部分之間的角間隙中形成氧化溝槽，使得各種翼片和通孔開口僅在氧化溝槽的外半徑之外。以這種方式，氧化溝槽可以位於更靠近氧化物孔的位置，這使得發射器設計具有更短的氧化長度和/或更多數量的溝槽，而不會引入載子洩漏和/或從製造角度來看具有困難的小特徵尺寸。
圖1A-1B是分別描繪示例發射器100的俯視圖和發射器100沿線X-X的截面圖150的圖。如圖1A所示，發射器100可以包括按照發射器架構構造的一組發射器層。在一些實施方式中，發射器100可以對應於本文描述的一個或多個垂直發射裝置。額外地或替代地，本文描述的垂直發射裝置可以包括圖1A-1B所示的發射器100的一個或多個組件和/或特徵。
如圖1A所示，發射器100可以包括佈植保護層102，在這個例子中，佈植保護層102是圓形的。在一些實施方式中，佈植保護層102可以具有其他形狀，例如橢圓形和/或多邊形，以及其他示例。基於包括在發射器100中的佈植材料部分（未示出）之間的空間來限定佈植保護層102。
如圖1A所示，發射器100包括歐姆金屬層104（例如，p歐姆金屬層或n歐姆金屬層），其被構造成部分環形（例如，具有內半徑和外半徑）。在圖1A中，中灰色區域示出了歐姆金屬層104的被保護層（例如，介電層和/或鈍化層）覆蓋的區域，深灰色區域示出了歐姆金屬層104的被通孔106暴露的區域，如下面更詳細描述的。如圖所示，歐姆金屬層104與佈植保護層102重疊。例如，在發射器100具有p-上/頂部發射(p-up/top-emitting)配置的情況下，可以使用這種佈置。在發射器100具有底部發射配置的情況下，歐姆金屬層104和佈植保護層102的佈置可以根據需要進行調整。
圖1A中未示出，發射器100包括保護層，在該保護層中形成（例如蝕刻）通孔106。深灰色區域示出了歐姆金屬層104被通孔106暴露的區域（例如，深灰色區域的形狀可以是通孔106的形狀的結果），而中灰色區域示出了歐姆金屬層104被保護層覆蓋的區域。保護層可以覆蓋除通孔106之外的所有發射器100。如圖所示，通孔106形成為部分環形（例如，類似於歐姆金屬層104），並且形成在歐姆金屬層104上方，使得保護層上的金屬化部分接觸歐姆金屬層104。在一些實施方式中，通孔106和/或歐姆金屬層104可以形成為另一種形狀，例如全環形或開口環形。
如進一步所示，發射器100包括在歐姆金屬層104的部分環形的內半徑中的發射器100的一部分中的光孔108。發射器100通過光孔108發射雷射束。如進一步所示，發射器100還包括由形成在光孔108下方的發射器100的氧化層（未示出）所形成的氧化物孔110（例如，電流約束孔）。
如圖1A中進一步所示，發射器100包括一組溝槽112（例如，氧化溝槽），它們圍繞佈植保護層102的周邊間隔開（例如，等距地、不等距地）。溝槽112可以相對於光孔108定位得多近取決於應用，並且通常受到佈植保護層102、歐姆金屬層104、通孔106和製造公差的限制。
圖1A所示的層數和佈置是一個例子。實際上，發射器100可以包括額外層、更少的層、不同的層或與圖1A中所示的不同佈置的層。例如，雖然發射器100包括一組六個溝槽112，但實際上，其他配置也是可以的，例如包括五個溝槽112、七個溝槽112和/或類似配置的緊湊型發射器。在一些實施方式中，溝槽112可以環繞發射器100以形成檯面結構d t。作為另一個例子，雖然發射器100是圓形發射器設計，但是在實踐中，可以使用其他設計，例如矩形發射器、六邊形發射器和/或橢圓形發射器。額外地或替代地，發射器100的一組層（例如，一個或多個層）可以分別執行被描述為由發射器100的另一組層執行的一個或多個功能。
值得注意的是，雖然發射器100的設計在此被描述為包括VCSEL，但是其他實施方式也是可以的。例如，發射器100的設計可以應用於另一種類型的光學裝置，例如發光二極體（LED），或者另一種類型的垂直發射（例如，頂部發射或底部發射）光學裝置。此外，發射器100的設計可以應用於任何波長、功率水平和/或發射輪廓的發射器。換句話說，發射器100並不特定於具有給定性能特徵的發射器。
如圖1B所示，示例截面圖150可以表示穿過一對溝槽112或在一對溝槽112之間的發射器100的截面（例如，如圖1A中標記為“X-X”的線所示）。如圖所示，發射器100可以包括背面陰極層128、基板層126、底部反射鏡124、作用區122、氧化層120、頂部反射鏡118、佈植隔離材料116、保護層114（例如，電介質鈍化/反射鏡層）和歐姆金屬層104。如圖所示，發射器100可以具有例如大約10µm的總高度。
背面陰極層128可以包括與基板層126電接觸的層。例如，背側陰極層128可以包括退火金屬化層，例如金-鍺-鎳（AuGeNi）層、鈀-鍺-金（PdGeAu）層或由另一種合適材料製成的層。
基板層126可以包括其上生長磊晶層的基礎基板層。例如，基板層126可以包括半導體層，例如砷化鎵（GaAs）層、磷化銦（InP）層或由另一種合適的材料製成的層。
底部反射鏡124可以包括發射器100的底部反射層。例如，底部反射鏡124可以包括分布式布拉格反射器（DBR）。
作用區122可以包括限制電子並限定發射器100的發射波長的層。例如，作用區122可以是量子井。
氧化層120可以包括提供發射器100的光學和電學限制的氧化物層。在一些實施方式中，氧化層120可以作為磊晶層的濕法氧化的結果而形成。例如，氧化層120可以是作為砷化鋁（AlAs）或砷化鋁鎵（AlGaAs）層氧化的結果而形成的氧化鋁（Al 2O 3）層。溝槽112可以包括開口，該開口允許氧（例如，乾氧、濕氧）進入形成氧化層120的磊晶層。
氧化物孔110可以包括由氧化層120限定的光學活性孔。氧化物孔110的尺寸可以在例如從大約4微米（µm）到大約20 μm的範圍內。在一些實施方式中，氧化物孔110的尺寸可以取決於圍繞發射器100的溝槽112之間的距離。例如，可以蝕刻溝槽112以暴露形成氧化層120的磊晶層。本文中，在保護層114形成（例如沉積）之前，磊晶層的氧化可以朝著發射器100的中心發生特定距離（例如，在圖1B中標識為d o），從而形成氧化層120和氧化物孔110。在一些實施方式中，如本文所述，磊晶層被氧化的距離在本文中可以稱為氧化長度（L ox）。在一些實施方式中，磊晶層可以在氧化物孔110周圍被氧化，以將電流約束在氧化物孔110內。此外，或者可替換地，可以使用另一種合適的電流約束技術將電流約束在氧化物孔110內，例如蝕刻檯面、沒有離子佈植的區域、和/或通過光微影限定的腔內檯面和再生長等例子。
頂部反射鏡118可以包括發射器100的頂部反射層。例如，頂部反射鏡118可以包括DBR。
佈植隔離材料116可以包括提供電絕緣的材料。例如，佈植隔離材料116可以包括離子佈植材料，例如氫/質子佈植材料或類似的佈植元素，以降低電導率。在一些實施方式中，佈植隔離材料116可以限定佈植保護層102。
保護層114可以包括充當保護鈍化層並且可以充當額外DBR的層。例如，保護層114可以包括沉積（例如，通過化學氣相沉積、原子層沉積或其他技術）在發射器100的一個或多個其他層上的一個或多個子層（例如，介電鈍化層和/或鏡面層、二氧化矽（SiO 2）層、氮化矽（Si 3N 4）層、氧化鋁（Al 2O 3）層或其他層）。
如圖所示，保護層114可以包括一個或多個通路106，通路106提供對歐姆金屬層104的電通路。例如，通孔（一個或多個）106可以形成為保護層114的被蝕刻部分或保護層114的被剝離部分。光孔108可以包括在氧化物孔110上方的保護層114的一部分，光可以通過該部分發射。
歐姆金屬層104可以包括形成電流可以流過的電接觸的層。例如，歐姆金屬層104可以包括鈦（Ti）和金（Au）層、Ti和鉑（Pt）層和/或Au層等，電流可以流過這些層（例如，通過通孔106接觸歐姆金屬層104的接合墊（未示出））。歐姆金屬層104可以是p歐姆的、n歐姆的或本領域已知的其他形式。歐姆金屬層104的特定類型的選擇可以取決於發射器的結構，並且在本領域技術人員的知識範圍內。歐姆金屬層104可以提供金屬和半導體之間的歐姆接觸，可以提供非整流電接面，和/或可以提供低電阻接觸。在一些實施方式中，發射器100可以使用一系列步驟來製造。例如，底部反射鏡124、作用區122、氧化層120和頂部反射鏡118可以磊晶生長在基板層126上，之後歐姆金屬層104可以沉積在頂部反射鏡118上。接下來，可以蝕刻溝槽112以暴露氧化層120用於氧化。佈植隔離材料116可以通過離子佈植產生，之後可以沉積保護層114。可以在保護層114中蝕刻通孔106（例如，暴露歐姆金屬層104用於接觸）。可以執行鍍覆、引晶（seeding）和蝕刻，之後可以將基板層126減薄和/或研磨至目標厚度。最後，背側陰極層128可以沉積在基板層126的底側。
圖1B中所示的層的數量、佈置、厚度、順序、對稱性等被提供作為例子。實際上，發射器100可以包括額外的層、更少的層、不同的層、不同構造的層或與圖1B中所示的層不同佈置的層。額外地或替代地，發射器100的一組層（例如，一個或多個層）可以執行被描述為由發射器100的另一組層執行的一個或多個功能，並且任何層可以包括多於一個層。
圖2A-2F是描繪各種發射器佈局的俯視圖的圖。例如，如本文進一步詳細描述的，圖2A是示出具有大氧化長度的緊湊型發射器佈局200A的示例的圖，圖2B是示出具有導致載子洩漏的溝槽間距離的緊湊型發射器佈局200B的示例的圖，以及圖2C是示出具有小特徵尺寸的p金屬層和通孔層的緊湊型發射器佈局200C的示例的圖。因此，圖2D是示出發射器佈局200D的示例性實施方式的圖，該發射器佈局200D能夠實現短的氧化長度而不會導致載子洩漏或特徵尺寸的減小，從而在圖2A-2C所示的緊湊型發射器佈局200A-200C的基礎上進行改進。此外，圖2E是示出緊湊型發射器佈局200E的示例的圖，該緊湊型發射器佈局200E具有p金屬層和通孔層，由於大量溝槽而具有小特徵尺寸。因此，圖2F是示出發射器佈局200F的示例性實施方式的圖，該發射器佈局200F能夠實現短的氧化長度和大量的溝槽，而不會導致載子洩漏或特徵尺寸的減小，從而改進了圖2E所示的緊湊型發射器佈局200E。
如圖2A所示，緊湊型發射器佈局200A可以使用分裂式架構或交叉式設計，以便減小整體尺寸（例如，與圖1A中的發射器100相比）。如圖2A所示，緊湊型發射器佈局200A可以包括p歐姆金屬化層212，該p歐姆金屬化層212包括環形部分和一組部分環形的延伸部分（例如，成形為從環形部分的外周邊延伸並圍繞環形部分的外周邊間隔開的一組齒，例如具有中空中心的齒輪形狀）。此外，緊湊型發射器佈局200A可以包括佈植保護層（其可以位於p歐姆金屬化層212下方，因此在圖2A所示的俯視圖中不可見）。例如，佈植保護層可以包括圓形部分和一組部分環形的延伸部分，該部分環形的延伸部分被成形為從圓形部分的周邊延伸並圍繞該周邊間隔開的一組齒（例如，以齒輪形狀）。在一些實施方式中，可以基於包括在緊湊型發射器佈局200A中的隔離材料部分來限定佈植保護層。如圖所示，p歐姆金屬化層212的延伸部分可以與佈植保護層的延伸部分重疊。
如圖2A進一步所示，緊湊型發射器佈局200A可以包括一組形成在電介質鈍化/反射鏡層（未示出）上的電介質通孔開口214。電介質通孔開口214可以被佈置為p歐姆金屬化層212的延伸部分上方的多個斷開的開口。如圖所示，電介質通孔開口214可以形成為部分環形（例如，類似於p歐姆金屬化層212的延伸部分，例如至少部分位於p歐姆金屬化層212上方的斷開的同心弓形段，使得金屬化部可以經由電介質通孔開口214來接觸p歐姆金屬化層212）。在一些實施方式中，如圖所示，鍍覆金屬層216可以沉積在電介質層上，電介質通孔開口214形成在該電介質層中（例如，使用電子束蒸發、濺射或其他種合適的沉積技術）。例如，鍍覆金屬層216可以沉積在介電層上，並且可以覆蓋整個緊湊型發射器佈局200A，除了形成在緊湊型發射器佈局200A的中心部分中的氧化物孔218（例如，同心地位於佈植保護層的圓形部分內）。
例如，緊湊型發射器佈局200A可以包括在p歐姆金屬化層212的部分環形的內半徑內的緊湊型發射器佈局200A的中心部分中的光孔。例如，雷射束可以通過光孔發射。如進一步所示，緊湊型發射器佈局200A可以包括氧化物孔218，其由緊湊型發射器佈局200A的氧化層形成。例如，如上文參考圖1A-1B所述，可以針對朝向氧化物孔218的特定距離發生磊晶層的氧化，從而形成氧化層和氧化物孔218。在一些實施方式中，如本文所述，磊晶層被氧化的距離在本文中可以稱為氧化長度（L ox） 220。通常，氧化物孔218可以形成在光孔下方，並且可以執行氧化以將電流約束在氧化物孔218內。值得注意的是，氧化物孔218的尺寸可以與圖1A-1B所示的發射器100的氧化物孔110的尺寸相同。換句話說，即使減小了緊湊型發射器佈局200A的尺寸，氧化物孔218的尺寸也沒有減小。類似地，p歐姆金屬化層212的內半徑可以與圖1A-1B所示的發射器100的p歐姆金屬層104的內半徑相同。保持這樣的寬度和間距可以允許緊湊型發射器佈局200A提供與發射器100相同或相當的性能。
如圖2A進一步所示，緊湊型發射器佈局200A可以包括一組氧化溝槽210或溝槽蝕刻區域（例如，每個部分環形）。如圖所示，在緊湊型發射器佈局200A中，氧化溝槽210部分位於電介質通孔開口214、p歐姆金屬化層212的延伸部分和佈植保護層的延伸部分之間。雖然氧化溝槽210在圖2A中被示為以部分環形形成的斷開的同心弓形段，但是在一些實施方式中，氧化溝槽210可以以另一種形狀形成，例如不規則多邊形。在一些實施方式中，從氧化溝槽210的外邊緣到反向定位的氧化溝槽210的外邊緣，緊湊型發射器佈局200A的總寬度小於40μm（例如，圖1A-1B所示的發射器100的寬度）。在一些實施方式中，對於15 μm的氧化物孔，緊湊型發射器佈局200A的寬度小於35μm（例如，大約32.4μm）。
通過允許利用氧化溝槽210之間的空間，緊湊型發射器佈局200A的分裂式架構會導致整體尺寸的減小（例如，與圖1A-1B所示的發射器100相比）。例如，緊湊型發射器佈局200A的總寬度可以與圖1A-1B所示的發射器100的總寬度小7.6μm（例如，40.0μm- 32.4μm= 7.6μm），或者小大約20%（例如，[（40.0μm- 32.4μm）/40 μm] × 100% = 19%）。當用於非網格VCSEL陣列時，這增加了發射器密度，從而減小了其上構造非網格VCSEL陣列的集成電路的尺寸和/或成本。然而，雖然圖2A中所示的緊湊型發射器佈局200A可以提供穩健的設計、良好的性能和可靠性，但是緊湊型發射器佈局200A可能不適合氧化長度220（例如，在濕法氧化期間AlGaAs層被氧化的距離）相對於氧化物孔218的尺寸（例如，直徑）較短的情況。例如，如圖2A所示，在氧化溝槽210和p歐姆金屬化層212的環形部分的外周之間存在空間，這增加了氧化長度220。然而，在一些情況下，可以通過減少氧化長度220來提高性能（例如，使用更小的氧化長度220可以減少發射器佔用的空間）。
因此，圖2B示出了具有較短氧化長度220的緊湊型發射器佈局200B的示例，這是通過將氧化溝槽210移動得更靠近p歐姆金屬化212的環形部分的外周（例如，通過填充圖2A的緊湊型發射器佈局200A中的氧化溝槽210和p歐姆金屬化層212的環形部分的外周之間的空間）來實現的。然而，當使用較短的氧化長度時，氧化溝槽210移動得更靠近p歐姆金屬化212的環形部分的外周，相鄰氧化溝槽210之間的溝槽間距離（在圖2B中用箭頭表示溝槽間距離222）是氧化長度的兩倍以上。例如，在圖2B所示的緊湊型發射器佈局200B中，氧化溝槽210移動得更靠近p歐姆金屬化212的內環，這導致氧化物孔具有10μm的直徑和4.1μm的減小的氧化長度220。
然而，圖2B所示的緊湊型發射器佈局200B存在性能問題，因為將氧化溝槽210移近p歐姆金屬化層212的內環可能導致載子洩漏。例如，如上所述，p歐姆金屬化層212通常在從氧化溝槽210朝向p歐姆金屬化層212的中心的方向上被氧化，從而形成氧化物孔218。在這種情況下，其中溝槽間距離222大於氧化長度的兩倍，相鄰氧化溝槽210之間的區域可能沒有被完全氧化，這允許電流在未氧化區域中流動。因此，緊湊型發射器佈局200B可能導致氧化物孔內載子約束的損失，因為電流會在沒有通過氧化來阻擋電流的不希望的區域中流動。
一種避免當氧化溝槽210移近p歐姆金屬化層212的內環（例如，縮短氧化長度220）時可能發生的不期望的載子洩漏的可行技術是將溝槽間距離減小到小於氧化長度220的兩倍。例如，圖2C示出了緊湊型發射器佈局200C，其中通過減小通孔開口214和電介質層所沉積的p歐姆金屬化層212的延伸部分的寬度，氧化溝槽210之間的距離減小到小於氧化長度的兩倍。然而，如圖所示，減小通孔開口214和p歐姆金屬化層212的延伸部分的寬度導致非常小的特徵尺寸，尤其是對於p歐姆金屬化層212和其中形成通孔開口214的介電層。在這種情況下，由於p歐姆金屬化層212的非常小的通孔開口214和/或非常小的延伸部分（例如，齒狀部分）的尺寸，圖2C所示的緊湊型發射器佈局200C從製造角度來看可能具有困難。例如，如本文所述，通孔開口214對應於沉積在p歐姆金屬化層212上的電介質層中的蝕刻區域，以在p歐姆金屬化層212（其直接沉積在半導體層上）和沉積在電介質層上的鍍覆金屬層216之間提供電連接。
因此，在一些實施方式中，圖2D示出了發射器佈局200D，其具有這樣的設計，其中p歐姆金屬化層212包括具有部分環形的p金屬翼片，該翼片向外延伸到氧化溝槽210之外，並且通孔開口214僅在氧化溝槽210的外半徑之外。例如，在圖2D所示的發射器佈局200D中，佈植保護層可以包括圓形部分，並且p歐姆金屬化層212可以形成在佈植保護層上。如進一步所示，p歐姆金屬化層212可以包括環形部分、從環形部分的周邊向外延伸的一組延伸部分、以及從該一組延伸部分側向延伸的一組翼片。例如，如圖所示，延伸部分可以將各翼片連接到p歐姆金屬化層212的內環部分。
如圖2D進一步所示，發射器佈局200D包括各種通孔開口214，這些通孔開口214形成在電介質通孔層上（例如，蝕刻到電介質通孔層中），並將p歐姆金屬化層212連接到鍍金屬層216。如圖所示，每個通孔開口214位於p歐姆金屬化層212中的翼片上方。因此，如圖所示，在p歐姆金屬化層212的延伸部分之間、在外翼片和通孔開口214之間存在角間隙，由此氧化溝槽210可以形成在外翼片和通孔開口214之間的角間隙中（例如，通孔開口214和p歐姆金屬化層212的部分環形翼片僅位於氧化溝槽210的外半徑之外）。這樣，p歐姆金屬化層212和通孔開口214的翼片不需要具有小的特徵尺寸（例如，通孔開口214可以更大），這提高了製造公差和設計穩健性(design robustness)。圖2D所示的發射器佈局200D對於具有大量溝槽的發射器設計也是有利的（最適用於具有大直徑（例如15µm或更大）的氧化物孔218的發射器）。
例如，圖2E是示出具有大直徑（例如，18µm直徑）的氧化物孔和十二（12）個溝槽的示例緊湊型發射器佈局200E的圖。在圖2A-2C的一個或多個中所示的設計被應用於具有大量溝槽210（例如，9個或更多個溝槽）的緊湊型發射器佈局200E的情況下，該結構將導致通孔開口214具有極窄的寬度，如圖2E所示。這是因為緊湊型發射器佈局200E的周界被分成12個部分，並且由於製造設計規則（例如，2µm - 2.5µm），氧化溝槽210的最小寬度受到限制。因此，因為通孔開口214需要裝配在氧化溝槽210之間的小角間隙中，所以這些結構的掃略角（sweep angle）變得非常小，並且不適合穩健的製造流程。因此，在一些實施方式中，圖2F示出了發射器佈局200F，其中p歐姆金屬化層212包括延伸到氧化溝槽210的外徑之外的翼片，這允許p歐姆金屬化層212和對應的通孔開口214覆蓋大得多的掃略角（例如，對於具有12個通孔開口214的設計，掃略角為25度或更大，或者如果使用更少的通孔開口214，則掃略角更大）。因此，將p歐姆金屬化層212和通孔開口214的翼片延伸到氧化溝槽210的外半徑之外能夠實現更寬的設計公差。在一些情況下，將p歐姆金屬化層212和通孔開口214的翼片定位在氧化溝槽210的外半徑之外通常會導致發射器佈局200D、200F對於具有相同尺寸的氧化物孔218具有更大的整體尺寸。因此，圖2D和圖2F所示的設計可能最適合用於單發射器VCSEL或VCSEL陣列，其中發射器到發射器距離足夠大以適合發射器佈局200D、200F。例如，在一些實施方式中，發射器佈局200D、200F可以用在單發射器VCSEL或VCSEL陣列，其中發射器到發射器距離大於30µm（例如，直徑為18µm的氧化物孔210需要約34µm的發射器到發射器距離）。
圖2A-2F中所示的層數和佈置被提供作為例子。實際上，緊湊型發射器200A-200F可以包括額外層、更少層、不同層或與圖2A-2F中所示的不同佈置的層。例如，雖然緊湊型發射器200A-200D包括一組六個氧化溝槽210，並且緊湊型發射器200E-200F包括十二個氧化溝槽210（並且緊湊型發射器200A-200D的發射器層被相應地構造），但是在實踐中，其他設計也是可以的，例如包括五個氧化溝槽210、七個氧化溝槽210等的緊湊型發射器。此外，當通孔開口214的數量不同於氧化溝槽210的數量（例如，兩個通孔開口214和六個溝槽210）時，圖2D和圖2F所示的設計可以同樣很好地工作，因為通孔和金屬跡線不需要對於每個溝槽210都相同。例如，在一些實施方式中，兩個或多個通孔開口214可以組合成覆蓋較大掃略角的單個通孔開口214，或者所有通孔開口214可以作為圍繞發射器的環連接。
作為另一個例子，雖然緊湊型發射器200A-200D是圓形發射器設計，但是在實踐中，其他設計也是可以的，並且通孔開口214和p歐姆金屬化層212可以具有不同的尺寸和/或形狀，例如多邊形發射器、橢圓形發射器等，而不影響性能或可製造性。額外地或替代地，氧化溝槽210和其它層的相應“齒”可以均勻間隔或不均勻間隔。額外地或替代地，發射器佈局200A-200F的一組層（例如，一個或多個層）可以執行被描述為由發射器佈局200A-200F的另一組層執行的一個或多個功能。
值得注意的是，雖然發射器佈局200A-200F的設計被描述為包括VCSEL，但是其他實施方式也是可以的。例如，緊湊型發射器200A-200F的設計可以應用於另一種類型的光學裝置，例如發光二極體（LED），或者另一種類型的垂直發射（例如，頂部發射或底部發射）光學裝置。另外，在一些實施方式中，發射器佈局200A-200F的設計可以應用於任何波長、功率水平、發射輪廓等的發射器。
前述公開內容提供了說明和描述，但不旨在窮舉或將實施方式限制於所揭示的精確形式。可以根據上述揭示內容進行修改和變化，或者可以從實施方式的實踐中獲得修改和變化。此外，本文描述的任何實施方式都可以被組合，除非前述揭示內容明確地提供了一個或多個實施方式不能被組合的理由。
如本文所使用的，根據上下文，滿足閾值可以指大於閾值、大於或等於閾值、小於閾值、小於或等於閾值、等於閾值、不等於閾值等的值。
即使特徵的特定組合在申請專利範圍中被引用和/或在說明書中被揭示，這些組合並不旨在限制各種實施方式的揭示內容。事實上，這些特徵中的許多可以以申請專利範圍中沒有具體敘述和/或說明書中沒有揭示的方式組合。儘管下面列出的每個附屬申請專利範圍可以直接依賴於僅一個申請專利範圍，但是各種實施方式的揭示內容包括每個附屬申請專利範圍以及申請專利範圍集合中的每個其他申請專利範圍。如本文所使用的，涉及項目列表中的“至少一個”的短語是指那些項目的任何組合，包括單個成員。例如，“a、b或c中的至少一個”意在涵蓋a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c，以及相同項目的多個的任意組合。
除非明確描述，否則本文使用的元件、動作或指令不應被解釋為關鍵或必要的。此外，如本文所用，冠詞“一”旨在包括一個或多個項目，並且可以與“一個或多個”互換使用此外，如本文所用，冠詞“該”旨在包括與冠詞“該”相關聯的一個或多個項目，並且可以與“該一個或多個”互換使用此外，如本文所用，術語“組”旨在包括一個或多個項目（例如，相關項目、不相關項目或相關和不相關項目的組合），並且可以與“一個或多個”互換使用當只打算一個項目時，使用短語“只有一個”或類似的語言。此外，如本文所用，術語“具有”等意在是開放式術語。此外，短語“基於”意在表示“至少部分基於”，除非另有明確說明。此外，如本文所用，術語“或”在串聯使用時旨在包括在內，並且可以與“和/或”互換使用，除非另有明確說明（例如，如果與“任一”或“僅其中之一”結合使用）。此外，為了便於描述，本文可以使用空間上相對的術語，例如“下方”、“下”、“上方”、“上”等，來描述一個元件或特徵與圖中所示的另一個元件或特徵的關係。除了圖中所示的方向之外，空間相關術語旨在包括使用或操作中的設備、裝置和/或元件的不同方向。該設備可以以其他方式定向（旋轉90度或在其他方向），並且本文使用的空間相對描述符同樣可以相應地解釋。
100:發射器 102:佈植保護層 104:歐姆金屬層 106:通孔 108:光孔 110:氧化物孔 112:溝槽 114:保護層 116:佈植隔離材料 118:頂部反射鏡 120:氧化層 122:作用區 124:底部反射鏡 126:基板層 128:背面陰極層 150:截面圖 200A:緊湊型發射器佈局 / 緊湊型發射器 / 發射器佈局 200B:緊湊型發射器佈局 / 緊湊型發射器 / 發射器佈局 200C:緊湊型發射器佈局 / 緊湊型發射器 / 發射器佈局 200D:緊湊型發射器 / 發射器佈局 200E:緊湊型發射器佈局 / 緊湊型發射器 / 發射器佈局 200F:緊湊型發射器 / 發射器佈局 210:氧化溝槽 212:p歐姆金屬化層 214:電介質通孔開口 216:鍍覆金屬層 218:氧化物孔 220:氧化長度 222:溝槽間距離
[圖1A]是示出示例發射器的俯視圖的示意圖。
[圖1B]是示出示例發射器的截面圖的示意圖。
[圖2A]是說明具有大氧化長度的緊湊發射器佈局的例子的圖。
[圖2B]是說明具有導致載子洩漏的溝槽間距離的緊湊發射器佈局的例子的圖。
[圖2C]是示出具有小特徵尺寸的p金屬層和通孔層的緊湊發射器佈局的例子的示意圖。
[圖2D]是示出發射器佈局的示例性實施方式的圖，該發射器佈局能夠實現短的氧化長度而不會導致載子洩漏或特徵尺寸的減小。
[圖2E]是示出緊湊發射器佈局的示例的圖，該佈局具有p金屬層和通孔層，由於大量溝槽，通孔層具有小的特徵尺寸。
[圖2F]是示出發射器佈局的示例性實施方式的圖，該發射器佈局能夠實現短的氧化長度和大量溝槽，而不會導致載子洩漏或特徵尺寸的減小。
200F: 緊湊型發射器 / 發射器佈局 210:氧化溝槽 212:p歐姆金屬化層 214:電介質通孔開口 216:鍍覆金屬層 218:氧化物孔 220:氧化長度

Claims (20)

  1. 一種垂直腔面射型雷射器(VCSEL)，包括：p歐姆金屬層，包括環形部分、從所述環形部分的周邊向外延伸的多個延伸部分、以及從所述多個延伸部分側向延伸的多個翼片；多個通孔開口，形成在通孔層上，將所述p歐姆金屬層連接到鍍覆金屬層，其中所述多個通孔開口中的每個通孔開口僅位於所述p歐姆金屬層的所述多個翼片中的對應翼片上；以及多個氧化溝槽，其中所述p歐姆金屬層的多所述個延伸部分延伸到所述多個氧化溝槽的外半徑之外，使得所述多個翼片和所述多個通孔開口僅在所述多個氧化溝槽的所述外半徑之外。
  2. 根據請求項1所述的垂直腔面射型雷射器，其中所述多個通孔開口的數量等於所述多個氧化溝槽的數量。
  3. 根據請求項1所述的垂直腔面射型雷射器，其中所述多個通孔開口的數量不同於所述多個氧化溝槽的數量。
  4. 根據請求項1所述的垂直腔面射型雷射器，其中，所述多個翼片和所述多個通孔開口形成為部分環形。
  5. 根據請求項1所述的垂直腔面射型雷射器，進一步包括：氧化物孔，同心地形成在所述p歐姆金屬層的所述環形部分內，其中所述氧化物孔的直徑大於15微米。
  6. 根據請求項5所述的垂直腔面射型雷射器，其中所述多個氧化溝槽中的相鄰氧化溝槽之間的最大距離小於氧化長度的兩倍，所述氧化長度由從氧化溝槽的內半徑到所述氧化物孔的周邊的距離限定。
  7. 根據請求項1所述的垂直腔面射型雷射器，其中，所述多個氧化溝槽中的每個氧化溝槽形成在所述p歐姆金屬層的所述多個延伸部分中的相鄰 延伸部分之間的角間隙中。
  8. 根據請求項1所述的垂直腔面射型雷射器，其中，所述多個翼片和所述多個通孔開口圍繞所述環形部分的所述周邊等距間隔開。
  9. 一種面射型雷射器，包括：歐姆金屬化層，包括內環部分、從所述內環部分的周邊向外延伸的多個延伸部分、以及以部分環形從所述多個延伸部分側向延伸的多個翼片；多個通孔開口，將所述歐姆金屬化層連接到鍍覆金屬，其中所述多個通孔開口中的每個通孔開口僅位於所述多個翼片中的相應翼片上方；以及多個氧化溝槽，每個氧化溝槽形成在所述多個延伸部分中的一對延伸部分之間的角間隙中，使得所述多個翼片和所述多個通孔開口僅在所述多個氧化溝槽的外半徑之外。
  10. 根據請求項9所述的面射型雷射器，其中所述多個氧化溝槽中的相鄰氧化溝槽之間的最大距離小於氧化長度的兩倍，所述氧化長度由從氧化溝槽的內半徑到氧化物孔的周邊的距離限定，該氧化物孔同心地形成在所述歐姆金屬化層的所述內環部分中。
  11. 根據請求項10所述的面射型雷射器，其中所述相鄰氧化溝槽之間的距離使得電流被約束在所述氧化物孔內。
  12. 根據請求項9所述的面射型雷射器，其中所述多個通孔開口的數量等於所述多個延伸部分的數量並且等於所述多個氧化溝槽的數量。
  13. 根據請求項9所述的面射型雷射器，其中所述多個通孔開口的數量少於所述多個延伸部分的數量或少於所述多個氧化溝槽的數量。
  14. 根據請求項9所述的面射型雷射器，包括單發射器垂直腔面射型雷射器(VCSEL)或垂直腔面射型雷射器陣列，其中發射器到發射器距離大於30微米。
  15. 根據請求項9所述的面射型雷射器，其中所述多個通孔開口中的每個通孔開口覆蓋大於25度的掃略角。
  16. 一種雷射器陣列，包括：多個垂直腔面射型雷射器(VCSEL)，其中所述多個垂直腔面射型雷射器每一個具有大於15微米的氧化物孔，其中所述多個垂直腔面射型雷射器中的兩個垂直腔面射型雷射器之間的最小發射器到發射器距離大於30微米，並且其中所述多個垂直腔面射型雷射器中的一個垂直腔面射型雷射器包括：歐姆金屬化層，包括內環部分、從所述內環部分的周邊向外延伸的多個延伸部分、以及以部分環形從所述多個延伸部分側向延伸的多個翼片；多個通孔開口，每個通孔開口僅位於所述多個翼片中的相應翼片上方；以及多個氧化溝槽，每個氧化溝槽形成在所述多個延伸部分中的一對相鄰延伸部分之間的角間隙中，使得所述多個翼片和所述多個通孔開口僅在所述多個氧化溝槽的外半徑之外。
  17. 根據請求項16所述的雷射器陣列，其中所述多個氧化溝槽中的相鄰氧化溝槽之間的最大距離小於氧化長度的兩倍，所述氧化長度由從所述多個氧化溝槽的內半徑到所述氧化物孔的距離限定。
  18. 根據請求項17所述的雷射器陣列，其中所述相鄰氧化溝槽之間的距離使得電流被約束在所述氧化物孔內。
  19. 根據請求項16所述的雷射器陣列，其中所述多個通孔開口的數量等於所述多個延伸部分的數量並且等於所述多個氧化溝槽的數量。
  20. 根據請求項16所述的雷射器陣列，其中所述多個通孔開口的數量少於所述多個延伸部分的數量或少於所述多個氧化溝槽的數量。
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