[发明专利]具有光束形状修改的激光器

说明书

相关申请案

本专利申请要求2012年5月8日提交的美国临时专利申请号61/644,270的优先权，所述申请以引用的方式整体并入本文。

发明背景

本公开一般涉及光子器件，更具体来说涉及改进的光子器件和其制造方法。

通常通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)在衬底上生长适当的层状半导体材料以形成具有平行于衬底表面的有源层的外延结构而在晶片上制造半导体激光器。然后利用多种半导体处理工具处理晶片以制造包括有源层并且包括附着到半导体材料的金属触点的激光器光腔。通常通过沿半导体材料的晶体结构解理半导体材料以限定激光器光腔的边缘或末端而在激光器腔的末端形成激光器腔面，使得当在触点上施加偏压时，所产生的流过有源层的电流使光子在垂直于电流的方向上从有源层的腔面边缘出射。由于解理半导体材料以形成激光器腔面，故腔面的位置和定向是有限的；此外，一旦晶片被解理，晶片通常就成为小块，以致不容易用常规的光刻技术来进一步处理激光器。

由使用解理腔面造成的上述和其他困难引致通过蚀刻形成半导体激光器的腔面的工艺的开发。在美国专利号4,851,368中描述的此工艺也允许激光器与其他光子器件单片集成在同一衬底上，所述专利的公开内容以引用的方式并入本文。这项工作被进一步扩展，并且基于蚀刻腔面的突脊激光器的工艺在1992年5月的IEEE量子电子学期刊(IEEE Journal of Quantum Electronics)的第28卷，第5号，1227-1231页中所公开。

使用半导体激光器的一个主要挑战是激光器的输出光束与光束定向或耦合到的介质之间的不匹配。例如，形成具有光斑大小转换器(SSC)的半导体激光器可以允许激光与光纤的更有效的耦合或扩大光学对准公差，然而，一般来说有随同形成SSC出现的某些缺点，例如，工艺的复杂性和激光器特性的降级。激光器特性的降级的实例为激光器阈值电流的增加。以下出版物讨论所使用的各种SSC方法：Itaya等人在IEEE量子电子学选题期刊(IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics)的第3卷，第3号，968-974页中的“Spot-Size Converter Integrated Laser Diodes(SS-LD’s)”；Moerman等人在IEEE量子电子学选题期刊的第3卷，第6号，1308-1320页中的“A Review on Fabrication Technologies for the Monolithic Integration of Tapers with III–V Semiconductor Devices”；以及Yamazaki等人在IEEE量子电子学选题期刊的第3卷，第6号，1392-1398页中的“1.3-μm Spot-Size-Converter Integrated Laser Diodes Fabricated by Narrow-Stripe Selective MOVPE”。

通过简单工艺形成的激光器结构允许光束修改而不显著影响激光器特性(例如，激光器阈值)，这种结构是非常理想的，并且例如可以引致以低成本封装将激光束非常有效的耦合到光纤中。

发明概要

根据本公开，形成一种半导体激光器，其允许输出光束的修改。

在本公开的一个实施方案中，使用蚀刻腔面激光器修改激光器的垂直远场，所述激光器具有具倾斜角的天井或在输出腔面前面的阶梯。在本公开的另一实施方案中，除具有倾斜角的天井或阶梯之外，使用侧壁来修改激光器的水平远场。在又一实施方案中，提供顶板来修改激光器的垂直远场。在又一实施方案中，解理或蚀刻腔面激光器有源侧朝下安装在衬底或基座上，例如，具有例如倾斜天井或阶梯的结构的硅或氮化铝(AlN)。

例如，在本公开的一个实施方案中，公开一种半导体芯片，其包含：衬底；位于所述衬底上的外延激光器；蚀刻腔面；以及邻近所述蚀刻腔面的结构，所述结构为天井，所述天井具有向下倾斜和具有至少一个台阶的向下阶梯中的一个。半导体芯片也可以包含反射侧壁。半导体芯片可以进一步包含在所述蚀刻腔面前面的顶板，其中所述顶板具有比所述蚀刻腔面的最低点更接近所述蚀刻腔面的最高点的下反射表面。半导体芯片可以另外包含沉积在所述结构上的反射涂层。半导体芯片还可以进一步包含选自包含InP、GaAs和GaN的组的所述衬底。