具有自发发射阻塞的增强半导体激光器的制作方法

1.本发明总体上涉及半导体激光器，并且更具体地，涉及具有自发发射阻塞(spontaneous emissions blockage)的半导体激光器。


背景技术：

2.半导体激光器，诸如常规的边缘发射激光器，也称为激光二极管或垂直腔表面发射激光器(vcsel)，在商业上用于非常广泛的应用：显示器和照明、数据存储、通信、数据读取、数据记录、防御、激光打印、医疗和化妆品应用、材料处理诸如表面处理、光学泵浦源等。
3.当增加电功率时，典型的半导体激光器在给定阈值电流(i
th
)下在两种不同状态之间转变：
4.·
在阈值以下发生的自发发射状态，以产生相干发射、随机极化、随机相位、随机发射方向、宽波束宽度；以及
5.·
在功率阈值以上发生的受激发射状态，以产生激光器操作，其特征在于具有相同光子能量、窄线宽、相同光子方向、相同光子相位或时间相干以及相同光子极化或相干极化光的相干发射。


技术实现要素：

6.在一个实施例中，示出了一种用于生产包括与半导体激光器串联集成的双稳态电阻系统(brs)的增强激光器(atlas)的器件和方法。atlas通过利用brs的突变电阻开关而表现出低于激光阈值的自发发射(se)的减少/抑制。
7.在一个实施例中，一种激光器系统包括半导体激光器以及作为可逆开关操作的双稳态电阻系统(brs)。brs与半导体激光器串联电连接。brs在高阻态下操作，其中半导体激光器低于激光阈值并且以自发发射机制发射，以及brs在低阻态下操作，其中半导体激光器高于或等于激光阈值并且以受激发射机制发射。作为可逆开关操作的brs跨两个独立芯片或在单个晶片上串联电连接。brs是使用绝缘体-金属转变(imt)材料形成的或者是使用阈值开关选择器(tss)形成的。
8.在另一实施例中，一种垂直波导激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴。层结构包括：设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层、设置在第一波导层上方的有源介质层、以及设置在有源介质层上方的具有第二掺杂类型和氧化层的第二波导层。具有顶表面和侧壁的台面型结构是由第一波导层形成的。有源介质层和第二波导层以及在第二波导层中形成的孔。双稳态电阻系统(brs)：i)在台面型结构周围的第一波导层上形成，或者ii)在台面型结构的顶表面上形成。
9.在一个实施例中，层结构是垂直腔表面发射激光器(vscel)，并且brs是使用绝缘体-金属转变(imt)材料形成的或者是使用阈值开关选择器形成的。
10.在另一实施例中，一种垂直波导激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形
成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴。层结构包括：设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层、设置在第一波导层上方的有源介质层、以及设置在有源介质层上方的具有第二掺杂类型和氧化层的第二波导层。具有顶表面和侧壁的台面型结构由第一波导层、有源介质层和第二波导层形成，以及在第二波导层中形成孔。一种形成在半导体衬底的背侧上的双稳态电阻系统(brs)，其中第一接触层在双稳态电阻系统上方形成；以及第二接触层在第二波导层上方形成并且具有在孔上方的开口，第二接触层与第一接触层电隔离。双稳态电阻系统是使用绝缘体-金属转变(imt)材料或者阈值开关选择器(tss)形成的。
11.一种边缘发射激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形成的层结构。层结构包括设置在半导体衬底的顶侧上方的具有第一掺杂类型的第一覆层；设置在第一覆层上方的第一波导层、设置在第一波导层上方的具有多个量子阱的有源介质层、设置在有源介质层上方的第二波导层、以及设置在第二波导层上方的具有第二掺杂类型的第二覆层。具有顶表面和侧壁的台面型结构是由第二覆层形成的。氧化层是在台面型结构的任一侧上形成的。双稳态电阻系统(brs)i)在台面型结构的顶表面上形成，其中在双稳态电阻系统上形成第一接触层以及在半导体衬底的底侧上形成第二接触层，或者ii)在半导体衬底的背侧上形成，其中在双稳态电阻系统上形成第一接触层以及在台面型结构的顶表面上形成第二接触层。双稳态电阻系统是使用绝缘体-金属转变(imt)材料或者阈值开关选择器(tss)形成的。
12.在另一实施例中，一种垂直波导激光器半导体器件包括半导体衬底以及在其上形成的层结构，其中有源介质层的量化轴平行于光腔的垂直轴。层结构包括：设置在半导体衬底上方的具有第一掺杂类型的第一波导层、设置在第一波导层上方的有源介质层以及设置在有源介质层上方的具有第二掺杂类型和氧化层的第二波导层，其中双稳态电阻系统(brs)中的至少一层i)在有源介质层内形成，或者ii)在第二波导层内形成；具有顶表面和侧壁的台面型结构由第一波导层、有源介质层和第二波导层形成以及在第二波导层中形成孔。双稳态电阻系统是使用绝缘体-金属转变(imt)材料或者阈值开关选择器(tss)形成的。在一个示例中，垂直波导激光器是垂直腔表面发射激光器(vscel)，并且双稳态电阻系统是使用绝缘体-金属转变(imt)材料或者阈值开关选择器(tss)形成的。
附图说明
13.附图用于进一步说明各种实施例并且用于解释根据本发明的各种原理和优点，其中在所有单独的视图中，相同的附图标记表示相同或功能相似的元件，并且附图与下面的详细描述一起被并入说明书中并形成说明书的一部分，其中：
14.图1示出了根据现有技术的图1的激光器的基本操作关于泵浦电流的曲线图；
15.图2示出了根据现有技术的双稳态电阻系统的电流与电压特性的曲线图；
16.图3是根据现有技术的经典激光器的输出光功率与泵浦电流的曲线图；
17.图4是根据本发明的一个实施例的使用双稳态系统的增强激光器的输出光功率与泵浦电流的曲线图；
18.图5a和图5b是根据本发明的一个实施例的分别与双稳态电阻系统的高阻态(hrs)和低阻态(lrs)相关联的分别在关断状态和导通状态之间可逆地切换的增强激光器的图
示；
19.图6是根据本发明的一个实施例的对于具有双稳态电阻系统的增强激光器的各种配置的输出光功率与泵浦电流的一系列曲线图；
20.图7是根据本发明的一个实施例的具有双稳态电阻系统的增强激光器的各种配置的输出光功率与泵浦电流的一系列曲线图，与图6中的滞后相比，该配置表现出小的或不存在的滞后；
21.图8是示出了根据本发明的一个实施例的具有集成双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的形成的初始阶段的侧视图；
22.图9a是顶部透视图以及图9b是沿线x-x'截取的相应截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成图8的具有集成在掩埋底部接触上的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的后期阶段；
23.图10是沿线x-x'截取的截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成图8的具有集成在顶部接触上的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的后期阶段；
24.图11是沿线x-x'截取的截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成图8的具有集成在背侧接触上的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的后期阶段；
25.图12是示出了根据本发明的一个实施例的用于形成具有集成双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的工艺的一个示例的流程图；
26.图13a是顶部透视以及图13b是沿线x-x'截取的对应的截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成具有集成双稳态电阻系统的边缘发射半导体激光器或二极管器件的初始阶段；
27.图14a和图14b是分别沿x-x'线和y-y'线截取的示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成图13b的具有集成在顶部接触上的双稳态电阻系统的边缘发射半导体激光器或二极管器件的后期阶段；
28.图15是示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成图13b的具有集成在背侧接触上的双稳态电阻系统的边缘发射半导体激光器或二极管器件的后期阶段；
29.图16是示意性侧视图，示出了根据本发明的一个实施例的具有集成在激光器的有源介质内的双稳态电阻系统的半导体激光器器件；
30.图17是沿着线x-x'截取的示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施例的具有集成在器件的有源介质内的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的形成；
31.图18是示意性侧视图，示出了根据本发明的一个实施例的具有集成在激光器光腔的波导内的双稳态电阻系统的半导体激光器器件；
32.图19是沿着线x-x'截取的示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施例的具有集成在激光器光腔的波导内的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的形成；以及
33.图20是示出了根据本发明的一个实施例的用于形成具有在激光器的有源介质或波导内的双稳态电阻系统的激光器半导体器件的工艺的一个示例的流程图。
具体实施方式
34.半导体器件描述的非限制性回顾
35.应当理解，附图中所示的各个层和/或区域不是按比例绘制的，并且在给定的附图中可能没有明确地示出通常用于激光器半导体和/或其它半导体器件中的类型的一个或多个层和/或区域。这并不意味着从实际器件中省略未明确示出的层和/或区域。另外，当解释不一定集中在省略的元件上时，为了清楚和/或简单起见，某些元件可以从特定视图中省略。此外，在所有附图中使用的相同或相似的附图标记用于表示相同或相似的特征、元件或结构，并且因此对于每个附图将不重复相同或相似的特征、元件或结构的详细解释。
36.根据本发明的各种实施例的半导体器件及其形成方法可以用于应用、硬件和/或电子系统中。用于实现本发明的实施例的合适的硬件和系统可以包括但不限于个人计算机、通信网络、电子商务系统、便携式通信设备(例如，蜂窝电话和智能电话)、固态媒体存储设备、功能电路系统等。结合半导体器件的系统和硬件是本发明的预期实施例。给定在此提供的本发明的实施例的教导，本领域的普通技术人员将能够设想本发明的实施例的其它实现和应用。
37.如本文所用，“垂直”是指在本文的视图中垂直于衬底的方向。如本文所使用的，“水平”是指平行于本文中的衬底视图的方向。如本文所用，“厚度”是指元件(例如，层、沟槽、孔等)在从元件的底表面到顶表面或从左侧表面到右侧表面测量的截面图中的尺寸，和/或相对于元件直接位于其上的表面测量的尺寸。
38.除非另有说明，否则如本文所用，“高度”或“高于衬底的高度”是指元件(例如，层、沟槽、孔等)在从衬底的顶表面到元件的顶表面测量的截面图中的垂直尺寸。如果元件直接位于衬底上，则元件的厚度可以等于元件的高度。如本文所用，“侧向”、“侧向边”和“侧向表面”等是指元件(例如，层、开口、翅片等)的侧表面，诸如本文的截面图中的左侧表面或右侧表面。
39.如本文所用，术语“宽度”或“宽度值”等是指在临界尺寸中从第一结构上的起点到同一结构上的终点的距离。可以指定结构的垂直宽度(例如，厚度)或结构的水平宽度。
40.还应当理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为在另一元件“上”或“上方”时，其可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。对于被称为在另一元件“下”或“下方”的元件，诸如层、区域或衬底，将理解类似但相反的含义。它可以直接在其它元件下，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接在另一元件上方”或者替代地被称为“直接在另一元件下”或“直接在另一元件下方”时，不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。
41.本发明可以包括集成电路芯片的设计，其可以以图形计算机编程语言创建，并且存储在计算机存储介质(诸如盘、磁带、物理硬盘驱动器或诸如存储访问网络中的虚拟硬盘驱动器)中。如果设计者不制造芯片或用于制造芯片的光刻掩模，则设计者可以通过物理手段(例如，通过提供存储设计的存储介质的副本)或电子地(例如，通过因特网)直接或间接地将所得到的设计传输到这样的实体。然后，将存储的设计转换为用于制造光刻掩模的适当格式(例如，gdsii)，其通常包括要在晶片上形成的所讨论的芯片设计的多个副本。光刻掩模用于限定要被蚀刻或以其它方式处理的晶片(和/或其上的层)的区域。
42.如本文所述的方法可被用于集成电路芯片的制造。制造者可以以原始晶片形式
(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、作为裸芯片或以封装形式来分发所得到的集成电路芯片。在后一种情况下，芯片被安装在单个芯片封装(诸如具有被固定到母板或其它更高级载体的引线的塑料载体)中或多芯片封装(诸如，具有表面互连或掩埋互连中的一种或两种的陶瓷载体)中。在任何情况下，芯片然后与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理设备集成，作为(a)中间产品(诸如母板)或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，范围从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或其它输入设备以及中央处理器的高级计算机产品。
43.在说明书中对本原理的“一个实施例”或“实施例”及其它变型的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性等被包括在本原理的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”以及任何其它变型的出现不一定都指相同的实施例。
44.应当理解，附图中所示的各个层和/或区域不是按比例绘制的，并且在给定的附图中可能没有明确地示出半导体激光器的一个或多个层和/或区域。这并不意味着从实际器件中省略未明确示出的层和/或区域。另外，当解释不一定集中在省略的元件上时，为了清楚和/或简单起见，某些元件可以从特定视图中省略。此外，在所有附图中使用的相同或相似的附图标记用于表示相同或相似的特征、元件或结构，并且因此对于每个附图将不重复相同或相似的特征、元件或结构的详细解释。
45.沉积可以是通过生长、涂覆或者其它方式将材料转移到晶片上的任何工艺。可用的技术包括例如物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、电化学沉积(ecd)、分子束外延(mbe)以及最近的原子层沉积(ald)等。
46.术语“外延生长”及其变体是指半导体材料在半导体材料的沉积表面上的生长，其中生长的半导体材料具有与沉积表面的半导体材料相同的晶体特性。在外延沉积工艺中，由源气体提供的化学反应物受到控制，并且系统参数被设定成使得沉积原子以足够的能量到达半导体衬底的沉积表面，以在表面上四处移动并且使其自身定向到沉积表面的原子的晶体排列。因此，外延半导体材料具有与其上形成的沉积表面相同的晶体特性。例如，沉积在{100}晶体表面上的外延半导体材料将呈现{100}取向。在一些实施例中，外延生长和/或沉积工艺对于在半导体表面上形成是选择性的，并且不在电介质表面(诸如二氧化硅或氮化硅表面)上沉积材料。
47.适用于一个或多个实施例的各种外延生长工艺设备的例子包括例如快速热化学气相沉积(rtcvd)、低能等离子体沉积(lepd)、超高真空化学气相沉积(uhvcvd)、大气压化学气相沉积(apcvd)和分子束外延(mbe)。许多不同的源可以用于本文讨论的各层的沉积。例如，用于外延半导体材料的沉积的气体源可包括含硅气体源、含锗气体源、其组合和/或类似物。含硅气体源的示例为硅烷、乙硅烷、丙硅烷、四硅烷、六氯乙硅烷、四氯硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、甲基硅烷、二甲基硅烷、乙基硅烷、甲基二硅烷、二甲基乙硅烷、六甲基乙硅烷及其组合。含锗气体源的示例是锗烷、乙锗烷、卤代锗烷、二氯锗烷、三氯锗烷、四氯锗烷及其组合。
48.去除可以是通过从晶片去除材料的任何工艺；示例包括蚀刻工艺(湿法或干法)、反应离子蚀刻(rie)以及化学机械平坦化(cmp)。
49.图案化是指沉积材料的成形或改变，并且通常可以被称为通过施加图案化掩模的
光刻。例如，在常规光刻中，晶片用被称为光刻胶的化学品涂覆；然后，称为步进器的机器聚焦、对准和移动掩模，将晶片下面的选定部分曝光于短波长光；曝光区域被显影剂溶液洗掉。在蚀刻或其它处理之后，可以通过等离子体灰化去除剩余的光刻胶。
50.电特性的改变在历史上需要掺杂晶体管源极和漏极(最初通过扩散炉，随后通过离子注入)。这些掺杂工艺之后是在先进的设备中炉退火或者快速热退火(rta)；退火用于激活注入的掺杂剂。现在，电特性的改变也扩展到在uv工艺(uvp)中暴露于紫外光的低k绝缘体沟槽中材料的介电常数的减少。通常通过氧化来实现改变，诸如在硅的局部氧化(locos)中，可以执行氧化以产生半导体-绝缘体结，以制造金属氧化物场效应晶体管。
51.自发发射(se)的减少的概述
52.如包括s.noda等的其它人所确认的，“se control by photonic crystals and nanocavities”，nature photonics 1,449(2007)，激光器中的自发发射由于若干原因而存在问题。
53.第一原因是激光器中的自发发射限制光子器件在包括照明、显示器、光通信、太阳能和量子信息系统的应用中的性能。
54.作为相干光源的激光器中的自发发射存在问题的第二个原因是噪声。未耦合到激光模式的自发发射(se)将提高激光阈值并且变成不需要的噪声。因此，有强烈的动机来实现对se的控制，并且在不希望时抑制它，或者备选地将它集中成有用的形式。事实上，控制se可以被认为是当前光子学研究中的最重要的目标之一。控制se可以带来器件性能的重要和显著的进步。
55.现在将关于半导体器件及其制造方法更详细地讨论各种实施例，并且具体地，关于使用双稳态电阻系统(brs)来减少或抑制半导体激光器中的低于激光阈值的自发发射的制造方法和结构。
56.目前要求保护的本发明利用了在两个稳定电阻状态之间呈现单极突变的可逆和电触发的电阻开关的任何系统的独特特性。
57.本发明中使用的brs包括：
58.i)绝缘体-金属转变(imt)材料，诸如弛豫的、应变的、3d-体的、薄膜的、2d-纳米片的、1d-纳米线的，基于：vo2、nbo2、ca2ruo4、lacoo3、ti2o3、ti3o5、smnio3、ndnio3、v2o3、v4o7、fe3o4和形式abo3的任何氧化物；
59.ii)阈值开关选择器(tss)是基于薄绝缘体层与金属的组合，诸如：ag/hfo2、cu/hfo2、ag/tio2、cuxs、ag/a-si、agte/tintio2/tin；以及
60.iii)用于磁性或电阻存储器(诸如自旋转移力矩结构(stt-mram)、相变存储器(pcm)、电阻存储器(reram)和等效物)中的任何其它材料或材料组合。
61.brs与半导体激光器(诸如边缘发射激光器或激光二极管)以及垂直腔表面发射激光器(vcsel)串联集成。brs有助于将se减少/抑制到激光阈值以下。
62.如下所述，brs可以集成在各种实施例中，包括：
63.i)电气地：通过集成brs的第一电路和集成半导体激光器的第二电路之间的电连接。这种集成可以是在两个独立芯片与外部布线的电连接之间，或者可以是集成在同一晶片上的两个芯片与集成互连的电连接；
64.ii)单片式：例如在半导体激光器上：在接触通孔内部，作为与有源介质相邻的分
布式布拉格反射器(dbr)或波导的一部分，等等；
65.iii)单片式腔内：在静态电磁场的节点中以最小化光吸收(例如在vcsel中)。
66.基本激光器操作回顾
67.图1示出了根据现有技术的激光器的基本操作关于泵浦电流的曲线图。典型的输出光功率相对于泵浦电流(i)特性和激光二极管的相应输出光谱。阈值电流i
th
可以被定义为泵浦电流水平，在该泵浦电流水平下，激光器的输出受到受激发射而不是受到自发发射支配。在典型的p-i特性上，阈值电流i
th
与相干辐射输出特性的延伸与i轴的交点相对应。
68.一种激光器(辐射的受激发射来放大光)系统，包括置于光学谐振腔(光腔)内的有源介质。通过泵浦系统向激光器介质提供能量。该能量以在亚稳能级中俘获的电子的形式存储。泵浦必须产生粒子数反转，即在激光器操作可以发生之前，亚稳态的原子比基态的原子多。
69.当实现粒子数反转时，一些电子从亚稳能级到较低能级的自发衰变开始链式反应。这对应于图1中的曲线图的自发发射部分102，对应于如图所示的光功率与波长112的曲线图。
70.增加电流使激光器移动到模拟多模发射部分104中，并且如图所示，光功率与波长114的对应曲线图。自发发射的光子将撞击(而不被吸收)其它原子并且激发它们的电子以从亚稳能级跃迁到较低能级。
71.在模拟多模发射部分104中进一步增加电流导致图1的完全单模发射，发射的光子具有精确相同的波长、相位和方向。示出了光功率与波长的对应曲线图116。
72.这种作用发生在光腔中。当在反射镜方向衰减的光子(大部分损失)到达激光材料的末端时，它们被反射回材料中，在那里链式反应继续并且光子的数量增加。当光子到达部分反射镜时，仅一部分将被反射回腔中，以及其余部分将作为激光束出现。
73.图2示出了根据现有技术的双稳态电阻系统(brs)的电流与电压的曲线图。如图所示，brs表现出单极突变的可逆和电触发的电阻开关，或者简称为可逆开关。brs系统的构造如上所述，并且包括imt材料、tss和用于磁性或电阻存储器中的其它系统。
74.水平轴表示开关电压阈值处的电压v1和v2。纵轴表示电流，其中i
off
和i
on
是电流电平。v1处的高电阻率绝缘状态(hrs)减小了流经系统的泵浦电流(i
off
)，同时v2处的切换到低电阻率金属状态(lrs)的突变电阻导致导通状态泵浦电流(i
on
)的可忽略的减小。
75.图3是根据对应于上述图1的现有技术的经典激光器的输出光功率与泵浦电流的曲线图。所示与图3相邻的是图4，其是根据所要求保护的发明的一个实施例的使用brs的增强激光器的输出光功率与泵浦电流的曲线图。注意在图4中，曲线的斜率在自发发射区域402中几乎是平坦的，直到达到brs阈值电流(i
imt
)。与图3的自发发射区域302中的曲线的斜率相比，这对应于增强激光器的关断状态，其中brs处于绝缘高阻态(即hrs)。在关断状态下，由于大的绝缘电阻，激光器两端的有效电压因brs两端的电位降而减少。这减少了到达激光器的有源介质的有效泵浦电流，从而减少了低于激光阈值(i
th
)的有效自发发射。与图3中的经典激光器相比，这种机制导致小得多的自发发射区域402。如图所示，本发明显著地减小或消除自发发射区域402。最优或适当设计的增强激光器设计要求brs的绝缘体-金属转变阈值电流(i
imt
)大于激光器的激光阈值电流(i
th
)。一旦泵浦电流达到i
imt
值，则brs突然切换到低阻态(即lrs)，从而突然增加达到激光阈值(i
th
)以上的有源介质的有效泵浦电流。
增强激光器突然从残余自发发射机制(402)切换到受激发射机制(406)。没有输出光功率(oop)的机制过渡区域(404)源自brs的突变电阻开关，并且是激光器不能有效操作的区域。类似地，当泵浦电流减小回到i
mit
值时，brs突然切换回到高阻态(即hrs)，从而突然减小达到激光阈值(i
th
)以下的有源介质的有效泵浦电流。增强激光器在通过机制过渡区域(404)过渡时突然从受激发射机制(406)切换回到残余自发发射机制(402)。参考图5a和图5b进一步解释操作原理。
76.图5a和图5b是示出了由与激光二极管串联电集成的brs构成的增强激光器器件的示意图，其在关断状态和导通状态之间可逆地切换。在图5a中的关断状态中，当brs处于绝缘高阻态(hrs)时，由于大的绝缘体电阻，激光器两端的有效电压(v
laser
)因brs两端的电位降而减小，使得v
laser
＝v
ba-v
brs
。由于大的绝缘电阻导致brs两端的电位降。这减少了到达激光器的有源介质的有效泵浦电流，从而显著地减少或消除了低于激光阈值(i
th
)的自发发射。
77.参考图5b，导通状态是当brs处于金属低阻态(lrs)时，激光器的有效栅电压是v
laser
≈v
ba
，因为当金属状态具有多个数量级的较低电阻时，brs两端的电位降变得可忽略。因此，导通状态泵浦电流损耗可以忽略。对于正和负电压极性，可以电触发从hrs到lrs的可逆电阻开关。
78.具有brs的激光器电流的各种配置
79.图6是根据本发明的一个实施例的对于具有双稳态电阻系统的增强激光器的各种配置的输出光功率与泵浦电流的一系列曲线图。更具体地，图6示出了四种配置：i)最优配置；ii)适合配置；iii)次优配置；以及iv)不适合配置，如下：
80.i)最优配置，其中；
81.·
相对于激光器的阈值电压优化brs的开关电流；
82.·
对于所有泵浦电流，自发发射区域被抑制；
83.·
最小化机制过渡区域；
84.·
受激发射区域被最大化并且接近激光阈值；以及
85.·
在这种情况下，i
mit
＝i
th
《i
imt
，其中i
th
是产生激光的激光器阈值电流，i
imt
是绝缘体-金属电流和i
mit
是金属-绝缘体电流。
86.ii)适合配置，其中：
87.·
对于所有泵浦电流，自发发射区域被抑制；
88.·
机制过渡区域较大；
89.·
受激发射区域不是非常接近激光阈值；
90.·
与最优情况相比需要更多的能量来切换brs；以及
91.·
在这种情况下i
th
＜i
mit
＜i
imt
。
92.iii)次优配置，其中：
93.·
与常规激光器相比，减少了可到达的自发发射区域；
94.·
当关闭激光器时，受激发射区域机制没有被完全抑制：部分可用于泵浦电流接近和低于激光阈值；以及
95.·
部分地利用brs集成的益处；以及
96.·
在这种情况下i
mit
＜i
th
＜i
imt
。
97.iv)不适合配置，其中
98.·
与常规激光器相比，可到达的自发发射区域没有显著减少；
99.·
没有利用brs集成的益处；以及
100.·
在这种情况下i
mit
＜i
imt
＜i
th
。
101.图7是根据本发明的一个实施例的具有双稳态电阻系统的增强激光器的各种配置的输出光功率与泵浦电流的一系列曲线图，与图6中的滞后相比，该配置具有较小或不存在的滞后。更具体地，图7示出了三种配置：i)最优配置；ii)适合配置；和iii)不适合配置，如下：
102.i)最优配置，其中：
103.·
相对于激光器的阈值电压优化brs的开关电流；
104.·
对于所有泵浦电流，自发发射区域被抑制；
105.·
最小化机制过渡区域；
106.·
受激发射区域被最大化并且接近激光阈值；以及
107.·iimt
≈i
mit
＝i
th
。
108.ii)最优配置，其中：
109.·
对于所有泵浦电流，自发发射区域被抑制；
110.·
机制过渡区域较大；
111.·
受激发射区域不是非常接近激光阈值；
112.·
需要更多的能量来切换brs；以及
113.·
在这种情况下i
th
＜i
imt
～i
mit
。
114.iii)不适合配置，其中：
115.·
与常规激光器相比，可到达的自发发射区域没有显著减小；
116.·
没有利用brs集成的益处；以及
117.·
在这种情况下i
imt
≈i
mit
＜i
th
。
118.实施例1：具有掩埋底部接触的brs的垂直波导半导体器件
119.图8是示出了根据本发明的一个实施例的使用具有掩埋底部接触的双稳态电阻系统(brs)的垂直腔表面发射激光器(vcsel)半导体器件的形成的初始阶段的侧视图。在该实施例中，给出了在大约λ～980nm处具有发射的基于gaas的vcsel，然而，在不同波长下操作的其它结构也是可能的。
120.参考图8，示出了vcsel器件，其包括n型gaas(n-gaas)衬底802，以及通过外延生长工艺在其上形成的层结构，所述外延生长工艺诸如分子束外延(mbe)和/或金属有机化学气相沉积(mocvd)。从gaas衬底802看，该层结构连续地包括n型下分布布拉格反射器(dbr)层或波导层804、可以包括多个量子阱的有源层或有源介质层806、以及p型上dbr层810。p型上dbr 810包括氧化层808。为了简单起见，未示出其它可选的层诸如在有源介质806与dbr层804和808之间的覆层。有源介质806通过分别从p侧电极(示出)和n侧电极(未示出)注入的正空穴和电子的重组而发光。
121.n型dbr层804和p型dbr层810包括多个层对，每个层对包括作为高反射率层的al
x11
ga
1-x11
和作为低反射率层的al
x12
ga
1-x12
，其中，例如，0≤x11＜1，0＜x12≤1，x11＜x12，x11＜x13＜x12。dbr层804和810的层对允许在有源层806中产生的激光(3-10x(ingaas/
gaasp)在dbr层804与810之间发出激光，并且作为具有期望输出功率的激光束穿过上dbr层810。上dbr层810具有所示的顶表面812。n型dbr层804可以包括gaas的掺杂剂：替代as：te、s以及替代ga：sn、si、ge，其中m x(n-gaas/n-alas)。p型dbr层810可以包括gaas的掺杂剂p型掺杂剂：替代as：si、ge以及替代ga：zn、cn和n x(p-gaas/p-alas)。通常，m＞n，使得底部dbr层804的反射率接近100％，而顶部dbr层810的反射率小于100％。
122.图9a是顶部透视图以及图9b是沿线x-x'截取的相应截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成图8的具有集成在掩埋底部接触上的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的后期阶段。
123.在图9b中，光刻、各向异性蚀刻、有机平坦化层(opl)(未示出)的组合被用于选择性地蚀刻p型dbr层810、有源介质层806、氧化层808和n型dbr804，以形成如图所示的台面型结构920。
124.如图所示，通过在氧化层808中氧化物924的形成，使用选择性氧化工艺来形成孔922。电介质层950，诸如硅硼碳氮化物(sibcn)在台面型结构920的顶表面和侧面上方以及在n型dbr 804上方共形沉积。使用opl(未示出)、光刻图案化和各向异性蚀刻来形成底部接触层阱960。
125.使用灰化工艺除去opl(未示出)。沉积共形多层brs952，随后进行光刻和电介质回蚀刻，以形成如在电介质层952和接触层阱960上所示的结构。在该示例中，brs是阈值开关选择器(tss)，诸如例如：ag/hfo2、cu/hfo2、ag/tio2。重要的是要注意，尽管描述了多层tss的集成，但是可以替代地实现绝缘体-金属转变(imt)材料或其它双稳态电阻系统。
126.使用金属沉积技术在包括在接触层阱960内的brs层952的垂直和水平部分的顶部上形成诸如ti/au的底部接触层954。接着，在使用所形成的底部金属接触层进行tss倒角之后，执行底部金属接触层的选择性凹陷。
127.使用顺序金属沉积、光刻图案化和金属蚀刻技术，在p型顶部dbr层810的顶部水平部分上方形成上部金属接触层926。使用共形电介质沉积，在台面型结构920的侧壁上和底部接触层954上方形成sin层956。如图所示，在形成电介质层950之后，暴露出离台面型结构920最远的底部接触层的一部分。使用opl的光刻图案化(未示出)和所示的选择性电介质回蚀刻被用于形成该结构。
128.使用顺序金属沉积、光刻图案化和金属蚀刻技术在上部接触层926上方形成顶部接触层958。如图所示，在形成电介质层950之后，暴露出离台面型结构920最远的底部接触层954和介质层950的一部分。顶部接触层958与底部接触层954电隔离。量化轴980被示为平行于由台面型结构920限定的光腔。
129.实施例2：具有顶部接触的brs的垂直波导半导体器件
130.图10是示出了根据本发明的另一实施例的使用集成在顶部接触上的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的侧视图。修改图8至图9a的工艺流程，使得不再形成brs层952。
131.在该实施例中，在形成顶部接触层958和上部接触层926之前，使用顺序金属沉积、光刻图案化和蚀刻技术形成brs层982，以形成如图所示的结构。在p型顶部dbr层810的顶部水平部分上方形成brs层982。在该示例中，brs是阈值开关选择器(tss)，诸如例如：ag/hfo2、cu/hfo2、ag/tio2。重要的是要注意，尽管描述了多层tss的集成，但是可以替代地实
现绝缘体-金属转变(imt)材料或其它双稳态电阻系统。量化轴1080被示为平行于由台面型结构920限定的光腔。
132.实施例3：具有底部接触的brs的垂直波导半导体器件
133.图11是示出了根据本发明的另一实施例的具有集成在背侧接触上的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的侧视图。修改图8至图9a的工艺流程，使得不再形成brs层952和阱960。
134.在该实施例中，brs层992水平沉积在衬底802的背侧上，随后水平设置底部金属接触层994，诸如如图所示的ti/au。在该示例中，brs是阈值开关选择器(tss)，诸如例如：ag/hfo2、cu/hfo2、ag/tio2。重要的是要注意，尽管描述了多层tss的集成，但是可以替代地实现绝缘体-金属转变(imt)材料或其它双稳态电阻系统。量化轴1180被示为垂直于孔922。
135.具有集成在掩埋底部接触或顶部接触或背侧接触上的brs的垂直波导半导体器件的流程图
136.图12是示出了根据本发明的一个实施例的用于形成具有双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的工艺的一个示例的流程图。应当注意，已经在上面关于图8至图11更详细地讨论了示出的每个步骤。该工艺开始于步骤1202并且立即进行到步骤1204。在步骤1204中，形成垂直波导，诸如垂直腔表面发射激光器(vcsel)。垂直波导包括设置在半导体衬底802上方的具有第一掺杂类型的第一波导层804、设置在第一波导层804上方的有源介质层806、以及设置在有源介质层806上方的具有第二掺杂类型和氧化层808的第二波导层810。在一个示例中，有源介质层806包括多个量子阱。该工艺继续到步骤1206。
137.在步骤1206中，选择性地蚀刻第一波导层、有源介质层806和第二波导层810，以形成具有顶表面812和侧壁的台面型结构920，如图9b、图10和图11所示。该工艺继续到步骤1208。
138.在步骤1208中是可选步骤，其中使用湿式氧化工艺在第二波导层810的氧化层806中形成孔922。该工艺继续沿着虚线表示的三个路径之一向下以形成i)掩埋底部接触(步骤1210至步骤1216)或者ii)顶部接触(步骤1218至步骤1224)或者iii)背侧接触(步骤1226至步骤1230)。
139.在掩埋底部接触的情况下，该工艺继续到步骤1210。在步骤1210中，在台面结构920周围的第一波导层804中蚀刻阱960。该工艺继续到步骤1212。在步骤1212中，沉积双稳态电阻系统952。该工艺继续到步骤1214。在步骤1214中，从第二波导810的顶表面812上方选择性地去除brs，以及去除最靠近台面型结构920的顶表面852的侧壁的一部分。在步骤1216中形成顶部接触层958。用于形成底部接触层954、电介质层950、上部接触层926以及顶部接触层958的工艺如上所述。
140.在顶部接触的情况下，该工艺继续到步骤1218。首先，在步骤1218中形成底部接触层954。接下来在步骤1220中，沉积双稳态电阻系统。该工艺继续到步骤1222。在步骤1222中，形成顶部接触958。该工艺继续到步骤1224。在步骤1224中，去除双稳态电阻系统982，留下具有在可选的孔922上方的开口的台面型结构920的顶表面上方的一部分。用于形成上部接触层926和顶部接触层958的工艺如上所述。
141.在背侧接触的情况下，该工艺继续到步骤1226。在步骤1226中形成底部接触层954。接下来在步骤1228中，在衬底802的底部表面上方沉积双稳态电阻系统992。该工艺继
续到步骤1230。在步骤1230中，在brs上方形成金属接触层994。
142.实施例4：具有集成在顶部接触上的brs的边缘发射激光二极管半导体器件的制造
143.图13a和图13b是示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成具有集成双稳态电阻系统的边缘发射半导体激光器或二极管器件的初始阶段。
144.转到图13b，激光二极管被构造在n型gaas的衬底1302上，其上带有n型层1304，诸如具有表示为gaasyp1-y的成分的gaasp，其中层1302通过分子束外延(mbe)和/或金属有机化学气相沉积(mocvd)工艺形成。层1304的生长过程被良好建立，通过优化组分梯度实现光滑表面。
145.接着，通过外延工艺形成n型覆层1304(诸如n型algainasp)、第一波导层1306、具有多量子阱层1308的未掺杂的有源或有源介质(诸如ingaasp)、第二波导层1310、p型覆层1312(诸如p型algainasp)，以及p型gaas的盖层1314。
146.图14a和图14b是示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成具有集成在顶部接触1420上的双稳态电阻系统的边缘发射半导体激光器或二极管器件的后期阶段。
147.p型覆层1312和盖层1314使用光刻技术被图案化并被蚀刻以形成如图所示的台面型结构1420。接着，使用顺序氧化物沉积、平坦化、光刻图案化和蚀刻技术形成电介质隔离层以限定顶部接触区域。
148.通过在包括台型结构1420的顶部和侧壁的p型覆层1312的顶部上的覆盖氧化物沉积形成氧化层1430。接着使用氧化物平坦化。进行有机平坦化层(opl)(未示出)的组合，随后进行光刻图案化和氧化物蚀刻。接着，使用灰化工艺去除opl。去除盖层1314和选择性蚀刻顶部p型覆层1312。
149.接下来，如图所示，在氧化层1430和台型结构1420的顶部上方形成双稳态电阻系统(brs)层1432。在该示例中，brs 1432是阈值开关选择器(tss)，诸如例如：ag/hfo2、cu/hfo2、ag/tio2。重要的是注意，尽管描述了多层tss的集成，但是可以替代地实现绝缘体-金属转变(imt)材料或其它双稳态电阻系统。
150.最后，在brs层1432上方形成顶部接触层1434。接下来，如图所示，在衬底1302的底部水平表面上沉积背侧接触层1436，诸如ti/au。
151.实施例5：具有集成在背侧接触上的brs的边缘发射激光二极管半导体器件的制造
152.图15是示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施例的形成具有集成在背侧接触上的双稳态电阻系统的边缘发射半导体激光器或二极管器件的后期阶段。
153.修改图13a-图13b至图14a-图14b的工艺流程，使得brs层不再集成在顶部接触区域1420以及顶部氧化层1430上方。
154.在该实施例中，在形成底部接触层1436之前，在掺杂衬底1302的背侧上沉积brs层1536，随后设置背侧金属接触层1538，诸如如图所示的ti/au。
155.实施例6：光腔内激光器有源介质中的brs集成
156.图16是示意性侧视图，示出了根据本发明的一个实施例的具有集成在激光器的有源介质内的双稳态电阻系统的半导体激光器器件。示出了第一分布式布拉格反射器(dbr)或者波导1602、有源层或者有源介质1604。在一个示例中，该有源介质包括由本领域已知的一系列势垒1614和量子阱1616形成的多量子阱。还示出了第二dbr1608。形成了双稳态电阻系统(brs)层1614。描绘了静态电磁场1620。brs层1614在外延工艺期间在光腔内部振荡的
静态电磁场1620的节点1622处原位沉积，以最小化潜在的光吸收。brs层还可以充当势垒。选择静态电磁场1620的最大幅度1624以最大化与量子阱的相互作用。注意，这种设计对垂直腔和侧面发射半导体激光器器件都有效。
157.图17是示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施例的具有集成在器件的有源介质内的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的形成。修改图8至图9a的工艺流程，使得如图17所示在光腔内沉积brs层1752。量化轴980被示为平行于由台面型结构920限定的光腔。
158.实施例7：在构成激光器光腔的波导之一中的brs集成
159.图18是示意性侧视图，示出了根据本发明的一个实施例的具有集成在激光器光腔的波导内的双稳态电阻系统的半导体激光器器件。
160.示出了第一分布式布拉格反射器(dbr)或波导1602、有源层或有源介质1604。在一个示例中，有源介质包括由本领域已知的一系列势垒1614和量子阱1616形成的多量子阱。还示出了第二dbr1608。如图所示，在波导1602内创建双稳态电阻系统(brs)层1814。描绘了静态电磁场1620。brs层1614在外延工艺期间在光腔内部振荡的静态电磁场1620的节点1624处原位沉积，以最小化潜在的光吸收。选择静态电磁场1620的最大幅度1624以最大化与量子阱的相互作用。注意，这种设计对垂直腔和侧面发射半导体激光器器件都有效。brs可以集成在波导1602或1608中的任一个中。
161.图19是示意性截面图，示出了根据本发明的一个实施例的具有集成在激光器光腔的波导内的双稳态电阻系统的垂直腔表面发射激光器半导体器件的形成。修改图8至图9a的工艺流程。在该示例中，brs层1952形成在光腔内，而不是如图18所示形成的brs层1814。k.fu等人在ieee electron device letters的2019年3月40卷3期375-378页中教导了外延兼容阈值开关选择器的一个示例，“threshold switching and memory behaviors of epitaxially regrown gan-on-gan vertical p-n diodes with high temperature stability”。量化轴1980被示为平行于由台面型结构920限定的光腔。
162.有源元件或波导中激光器光腔内部集成的流程图
163.图20是示出了根据本发明的一个实施例的用于形成在激光器的有源介质或波导内具有双稳态电阻系统的激光器半导体器件的工艺的一个示例的流程图。应当注意，已经在上面关于图13至图19更详细地讨论了图20中示出的每个步骤。该工艺开始于步骤2002并立即进行到步骤2004。在步骤2004中，形成垂直波导，诸如垂直腔表面发射激光器(vcsel)。垂直波导包括设置在半导体衬底802上方的具有第一掺杂类型的第一波导层804、设置在第一波导层804上方的有源介质层806、以及设置在有源介质层806上方的具有第二掺杂类型和氧化层808的第二波导层810。在一个示例中，双稳态电阻系统层1614在有源介质内形成。在另一个示例中，双稳态电阻系统层1814在第二波导层810内形成。有源介质层806可以包括多个量子阱。该工艺继续到步骤2006。
164.在步骤2006中，第一波导层804、有源介质层806和第二波导层810形成如上所示的具有顶表面和侧壁的台面型结构920。该工艺继续到步骤2008。
165.在步骤2008中是可选步骤，其中在第二波导层810的氧化层中形成孔922。该工艺在步骤2010完成。