本发明一般说来涉及半导体光电子器件，特别是波长可调的面发 射半导体激光器和滤光器。

可调谐的垂直腔面发射激光器(VCSEL)和滤光器近来已在技术 上引起了很大的兴趣。这是由于这些器件不仅很有希望在光纤通讯中 作波分复用(WDM)时增加带宽，而且也可用于光开关、路由器、高 度密集的光谱干涉仪、光的发送-接收以及许多其他应用。

特别是VCSEL对于集成光电子回路是极有吸引力的。首先，它在 单纵模下工作，具有圆形光斑，因而可与光纤有效地耦合。此外，它 是紧凑的，可在晶片规模单片制作大的、密集的列阵。

作为固定波长的光源，VCSEL已证明了有限的应用和功能。

过去已作了一些努力来实现VCSEL波长的调谐，引入(1)折射 率随温度的变化(如参见，Berger,P.R.,Dutta,N.K.,Choquette,K.D., Hasnain,G.,and Chand,N.,“Peltier冷却的单片VCSEL (Monolithically Peltier-cooled vertical-cavity surface-emitting lasers)”,Applied Physics letters,Vol.59,No.1,pp.117-119,1991；和 Chang-Hasnain,C.J.,Harbison,J.P.,Zah,C.E.,Florez,L.T.,and Andreadakis,N.C.,“二电极VCSEL的连续波长调谐(Continuous wavelength tuning of two-electrode vertical cavity surface emitting lasers)”,Electron.Lett.,Vol.27,No.11,pp.1002-1003,1991)；或 (2)折射率随载流子注入的变化(如参见，Gmachi,C.,kock,A., Rosenberger,M.,Gornik,E.,Micovic,M.,and Walker,J.F.,“通过串 联集成的内腔二极管进行双异质结AlGaAs/GaAs VCSEL的频率调谐 (Frequency tuning of a double-heterojunction AlGaAs/GaAs vertical- cavity surface-emitting laser by a serial integrated in-cavity modular diode)”,Applied Physics letters,Vol.62,No.3,pp.219-221,1993)。

这两种技术的调谐范围大约都为10nm；然而,相对于带宽不足 的WDM和密集的WDM应用所需的几十纳米调谐范围，这还是不够 的。

与之成对照的是，法布里-珀罗腔长的改变已表明是一种无须改变 激光器增益区而实现VCSEL波长调谐的技术。在面发射器件中可这 样来实现，即提供一个上反射器，它对下反射器施加一静电场。这种 技术已在可调谐的法布里-珀罗器件中实现了，例如(1)滤光器(如 参见，Larson,M.C.,Pezeshki,B.,and Harris,J.S.,“GaAs上带有可 变形膜形成的上反射镜的垂直耦合腔微干涉仪(Vertical coupled- cavity micro-interferometer on GaAs with deformable-membrane top mirror)”,IEEE Photonics Technology Letters,Vol.7,pp.382-384,1995； 和Tran,A.T.T.T.,Lo,Y.H.,Zhu,Z.H.,Haronian,D.,and Mozdy,E., “表面微加工的法布里-珀罗可调谐滤光器(Surface Micromachined Fabry-Perot Tunable Filter)”,IEEE Photonics Technology Letters, Vol.8,No.3,pp.393-395,1996)；(2)发光二极管(如参见，Larson, M.C.,and Harris,J.S.,“调谐范围宽的谐振腔光发射(Broadly-tunable resonant-cavity light emission)”,Applied Physics Letters,Vol.67,No.5, PP.590-592,1996)；和(3)VCSEL(如参见，Wu,M.S.,Vail,E.E.,Li, G.S.,Yuen,W.,and Chang-Hasnain,C.J.,“可调谐微加工的VCSEL (Tunable micromachined vertical-cavity surface emitting laser)”, Electronic Letters,Vol.31,No.4,pp.1671-1672,1995；和Larson,M.C., Massengale,A.R.,and Harris,J.S.,“具有18nm调谐波长范围的连续 可调谐微加工的VCSEL(Continuously tunable micromachined vertical-cavity surface emitting laser with 18nm wavelength range)”, Electronic Letters,Vol.32,No.19,PP.330-332,1996)。

在这类器件中，上反射器的偏离量取决于许多参数，如反射器支 撑臂的长度、宽度、厚度和杨氏模量。虽然前述的反射器支撑臂的宽 度、厚度和杨氏模量一般可十分精确地控制，但在现代制作这种器件 所用的技术中对支撑臂准确长度的控制还是很有限的，这就使得器件 与器件和批与批之间的性能有很大的改变。

本发明提供了实现可调谐法布里-珀罗器件所需的可重复的精确 尺寸控制，这对于可调谐滤光器和VCSEL的商品化生产是必须的。

这项专利申请要求受益于12/29/97提交的序号为60/068,931的未 决的美国预先临时专利申请：微机电调谐共焦垂直腔面发射激光器与 法布里-珀罗滤光器，这里用之作为参考文献。

本发明包括一种新的微机电(MEM)调谐共焦滤光器。

本发明也包括一种新的MEM调谐共焦垂直腔面发射激光器 (VCSEL)。

激光器最好利用在生长后控制量子阱中的应变的激射。

此外，本发明也包括一种制作VCSEL/滤光器的新技术，它提供 了精确的尺寸控制，对于大量生产具有预期性能的可靠器件，这是必 须的。

特别是，本发明提供了一种新技术，即在晶体生长后对激光器有 源区的晶格匹配薄层，如在量子阱中，引入适当的应变。这是通过在 激光器有源区上淀积分布布拉格反射器(DBR)来实现的，分布布拉 格反射器是由仔细设计的应变多层介质膜构成的。小心地改变淀积的 DBR膜中的应变，可优化量子阱区的应变和增益性质。在VCSEL中， 当量子阱处于压应变下时，激光器的微分增益增大，阈值电流密度下 降，因而使VCSEL的性能得到显著改善。另一方面，张应变对VCSEL 的激射性能有不利的影响。多层介质膜的组合，如硅(Si)和氧化铝 (Al2O3)、或Si和二氧化硅(SiO2)、或Si和氧化镁(MgO)、或 TiO2和SiO2，可用离子束辅助的电子束蒸发或离子束辅助的离子束溅 射来淀积，使淀积的膜中的应变可控。仔细控制离子束的电压和电流， 可使淀积的膜具有张应变或压应变，应力的大小可由几千帕(KPa) 至几千兆帕(GPa)。这样的多层介质膜有多种功能，如可在量子阱 中引入应变、为增益区提供光反馈、及为有源区有效地散热，所有这 些对于作出商品化的VCSEL，尤其是在1300nm至1500nm波段， 都是重要的。

本发明也包括另一种革新，通过微机械加工来实现一种共焦腔 VCSEL，它是由在一组平面DBR和一组曲面DBR间形成的可调谐腔 来构成的。DBR的曲率是通过在淀积的层中小心地引入适当大小的应 变来实现的。由产生的共焦微腔精确地控制激光器的空间模式和模式 分散，从而(a)由增益区中激射畴的光限制产生空间单模，(b)控 制VCSEL的发散角来优化产生的光与单模光纤的耦合。

本发明的制作技术对于上DBR结构和支撑结构都提供了极精确 的实际尺寸控制，这对于实现器件与器件之间极其重复的性能是十分 必要的。

本发明的另一方面是共焦微机电调谐法布里-珀罗结构。在前述的 共焦VCSEL结构中去掉增益区，只留下光学腔，这个器件就起共焦 法布里-珀罗滤光器的作用。短腔(如0.2-10微米)器件的共焦性质可 使光有效地(1)由单模输入光纤耦合至器件，和(ⅱ)返回单模输出 光纤。

共焦调谐滤光器和VCSEL器件分别在图1和图2中作了描绘。这 些器件都在单纵模下工作，对于VCSEL结构是在增益区的整个带宽 上(如30-120nm)；对于滤光器是在100nm的调谐范围中。

如图1所示，可调谐的法布里-珀罗滤光器是由下述部分构成的： (ⅰ)曲率为R的分布布拉格反射器(DBR)，是在氮化硅(Si3N4) 薄膜(或支撑物)或金属薄膜如钛-钨(TiW)上形成的高折射率差多 层膜，薄膜支撑在其周围的金属柱上；(ⅱ)选择腐蚀掉牺牲层形成 的空腔；和(ⅲ)淀积在衬底上与上DBR相对的下DBR介质层。

对于VCSEL，由多量子阱构成的增益区插入图2所示的空腔中。 VCSEL可用光泵浦，或作成腔内电互连用于电流注入。

当然，可调谐滤光器和/或可调谐VCSEL使用平面结构的上DBR 也是合适的，这也没有超出本发明的范畴。

下面列出本发明的一些技术突破。

              应变优化的固定波长VCSEL

在VCSEL中由于共振光学模与体积极小的增益区的相互作用，在 DBR提供最大反馈和可能的最小热阻时，增益区必须提供最大的微分 增益。

虽然使用压应变的多量子阱可能提供最大的增益，但能够生长的 不产生晶格缺陷的最大应变量子阱的数目是有限的。

解决这个问题的一个方法是生长应变补偿多量子阱。然而，实际 上这是困难和昂贵的。虽然GaAs/AlGaAs基的VCSEL已成熟了，但 目前对于长波长(如1300nm和1500nm)激光器优选的是 InP/InGaAsP系材料，对这个材料系还需作很大的改进。

由于InP和InGaAsP的最大折射率差只有0.2，需要大数目的1/4 波长膜堆才能提供足够的反馈。而这就在器件中引起很大的串联电阻 损失和无法接受的热瓶颈。此外，低折射率差也使反射镜的带宽变窄， 这对于面镜厚度的精度也是个制约。

此处所介绍的器件可由InGaAsP/InGaAs多量子阱(MQW)、介 质膜的上DBR、和在MQW与衬底间的介质膜DBR构成。例如参见 图5，这里示出了一个固定波长的VCSEL。正如所希望的，此固定波 长的VCSEL可具有弯曲的上DBR。两个DBR都是用真空淀积技术制 作的。

正如下面综述的，本发明提供了对前述的所有问题的解决办法， 同时连带着大大降低了成本和提高了产量。

1．淀积的DBR可从外部改变MQW量子阱区的应变，从而 修改增益系数、阈值电流和斜率效率。控制淀积的DBR的应变和 量子阱区的应变，可优化VCSEL的激射性质。在晶体生长后修改 量子阱中的应变就减轻了设计费用的制约和晶体外延生长(MBE 或MOCVD)中使用应变补偿技术的困难。

2．在外延生长单片VCSEL时，片子各部分厚度的不同会引 起激射波长的变化，导致低产量。由于Si和Al2O3的折射率差较大 (约2.8)，只要四对DBR就可在大的带宽(如500nm)上实现 99.9％以上的反射率。所以用这样的DBR形成的法布里-珀罗腔可 以产生具有足够反馈的高Q值腔。因为这些反射镜都是宽带的，反 射镜的补缺可以容易地跨越增益谱100nm的范围。整个晶片上有 源层和/或衬垫层厚度的任何变化都可在最终淀积DBR镜之前，通 过淀积介质膜的相位补偿层来加以补偿。这就可在晶片的大部分获 得所需的发射波长。DBR镜的高反射率也有助于降低阈值条件。

3．由例如Si和Al2O3或MgO材料形成的介质膜反射镜具有 很高的热导率，从而为有源区提供了有效的散热。此外，只需要几 对DBR；因此，在本发明中到达热沉的路程要比传统的半导体DBR 短，使得散热更加有效。

                波长可调的VCSEL

按照本发明制作新的波长可调的VCSEL的步骤示意图示于图4。 器件是由高折射率差的介质膜对如Si/Al2O3、Si/SiO2、Si/MgO、或 TiO2/SiO2构成的下DBR和选择淀积的上DBR、空腔以及嵌在由两个 DBR形成的法布里-珀罗腔中的有源区构成的。

本发明也提供了混合型反射镜系统，如外延生长的下DBR和淀积 的上DBR。

上DBR座于由Si3N4或金属(TiW)制成的薄支撑膜或多个支持 物上，后者由其周围的厚金属层支撑着(见图6A-6C)。这就形成了 一种蹦床型结构。对于圆形支撑膜，在Si3N4或金属膜(TiW)中使用 沿径向延伸的开孔，以在放开上DBR时选择除去下面的牺牲层，这在 下面还要作进一步的讨论。

在支撑膜与下DBR间施加适当的电压，蹦床结构以及上DBR可 向着DBR或离开下DBR作平移运动，从而调节激光器的发射。由于 DBR都是宽带的，故可在激光器增益谱的整个带宽上进行调节，通常 约为60nm。

本发明的一个重要特点是，新的制作工艺对蹦床结构的横向尺寸 和空腔长度提供了精确的控制，这两个尺寸对于一致地制作实质上相 同的器件是重要的。在本发明中这是可以作到的，使用牺牲层作为硬 模以确定蹦床结构的横向尺寸和空腔的纵向尺寸。这样就保证了在选 择除去牺牲层时有效地消除了因尺寸不可控而可能引起的种种不利影 响。

此外，新器件小而紧凑(约500μm×500μm)，因而可以制 作列阵并与光纤耦合。

                  波长可调的滤光器

如图3所示，从上述的VCSEL结构省去量子阱增益区就得到了可 调谐法布里-珀罗滤光器。

高折射率差DBR堆提供了宽的带宽(如500nm)；因此对于一 个波长的腔，法布里-珀罗谐振可在DBR的整个带宽上进行调谐。由 于DBR的反射率很高，可得到极窄(亚埃)的线宽。

这种器件的调谐速度为微秒量级，因而成为具有极高光谱分辨率 的最快的可调谐滤光器之一。这种器件也易于用标准的半导体制作技 术进行批量生产，从而可努力成为消费产品。

            共焦腔可调谐VCSEL/滤光器

MEM可调谐共焦腔法布里-珀罗滤光器是一种极其创新的谐振腔 设计，它是由第一组平面DBR和第二组具有一定曲率半径的DBR间 的空腔构成的。两组DBR构成了共焦腔，如图1所示。

这项设计的一个革新是，两个反射镜有一个是弯曲的就产生了一 个微谐振腔，它可支持哈密特-高斯模式。如下面所述，在上反射镜引 入适当的曲率就可简化光在器件与标准的单模光纤之间的耦合，免去 了否则必须使用的透镜。

众所周知，Rayleigh范围(Rayleigh range)z0定义了波前最为弯 曲的距离，它与反射镜曲率R和腔长d的关系如下式：z0=[(R-d)/d]1/2 (方程1)例如，一谐振腔腔长为1.5微米，弯曲的DBR曲率半径为 1.5mm，则得到z0值为150微米，按照关系式W0=(z0λ/π)1／2(方程 2)得到在波长λ为1.5微米时基模的束腰W0为8.5微米。由于在位置 z处的模式尺寸值由下式给出W(z)=W0[1+(z/z0)2]1/2(方程3)， 而z0约一百倍于腔长，故在腔长范围内模式尺寸实际上是相同的。因 此来自输入侧9微米芯的单模光纤的光可激发基模，传输的单模光束 可有效地与单模光纤耦合。像这样用弯曲的反射镜，模式束斑的尺寸 可调解得与单模光纤匹配，而无须透镜。然而折衷是在这种情况下光 纤必须相对于腔的光轴定位在0.5微米以内(在横向上)，以免激发 不希望的高阶哈密特-高斯模式。为了改善耦合光纤的对准误差，可与 适当减小曲率的反射镜一起使用模式尺寸为20-50微米热胀芯纤。反 射镜的曲率R可按上述的方程(1)-(3)式来调节使与热胀芯纤的模 式尺寸W0相匹配。由于高斯模式尺寸较大，光纤的横向定位是不严 格的。

这个设计显然不同于1989年4月25日授予Stephen R.Mallinson 的美国专利4,825,262号所揭示的单晶平行反射镜谐振腔的设计。

制作本发明的新型MEM可调谐共焦腔滤光器的工艺步骤与用于 制作本发明的新型平腔可调谐滤光器/VCSEL的工艺相似。其主要的 差别在于淀积弯曲的DBR。控制淀积的多层DBR介质膜堆中的应变 大小和类型，仔细设计氮化硅薄膜的支撑以实现所希望的镜面曲率。 巧妙地选择淀积参数，如硅烷(SiH4)与氨气(NH3)的混合比、所 用气体的总压强及所用射频功率的大小，可在介质膜堆中引入不同大 小和类型(张应变或压应变)的应变。在张应变的氮化硅薄膜与压应 变的介质膜堆间产生的应力梯度引起凹的DBR。逐渐改变温度和/或淀 积电压在反射镜层内引入应力梯度可实现对上DBR曲率的进一步控 制。在反射镜层内引入所希望的应力梯度的替代办法是使用二次离子 源，通过改变电流或电压来选择修改反射镜每一层中的应力。在一个 例子中，用PECVD法淀积具有100MPa张应力的0.5微米厚的氮化 硅层，而上反射镜则在100℃下用700V的离子束溅射来淀积上DBR。 在除去牺牲层后所得的反射镜曲率约1mm。而且在淀积反射镜期间衬 底温度从室温改变到120℃在反射镜层中进一步引起应力梯度，而使 反射镜的曲率减小到0.75mm。

与共焦腔可调谐滤光器(图1)类似，用共焦谐振腔方案的革新微 腔设计在MEM可调谐VCSEL中也提供了稳定的空间基模。特别是 对于可调谐VCSEL结构，增益区处于一组平的DBR和一组可变曲率 的DBR之间确定的法布里-珀罗腔内，如图2所示。基模激励增益区 产生圆形的空间单模受激发射。结果，自然形成横向的光学模式限制 而不必形成横向波导。这就得到了高效的VCSEL。

共焦腔方案同样可用于固定波长的VCSEL，如图5所示。如前面 所解释的，在固定波长的VCSEL中空间基模提供了稳定的横向光学 限制，从而导致单模受激发射。

                    竞争的技术

近来已有波长小于1.0微米的固定波长VCSEL商品。

但目前可调谐VCSEL或MEM可调谐法布里-珀罗滤光器还没有 商品。

唯一的可调谐滤光器商品或是依赖于带有复杂的反馈系统的压电 驱动器(Queensgate Instruments,England)，或是使用夹在两个交叉 的偏振器间的双折射材料(Cambridge Research Instruments, Massachusetts,使用液晶)。

压电可调谐滤光器具有0.1nm的分辨率，50nm的调谐范围，但 也要求高工作电压。

液晶基的滤光器可有较好的分辨率，但效率低，如低达99.0％。

上述两个系统的制作是劳动密集型的，因而成本高。例如 Queensgate Instruments的顶级型(top-of-the-line)价格在10,000美 元以上。这样高的成本以及此系统的庞大，使之对多数应用都是不现 实的。尤其是在一些应用中，例如将来的通讯网络，将为用户提供声 音、图象、数据及与上游的通讯，所有这些都通过一根光缆，需用便 宜的、紧凑的滤光器和激光源。相信在宽范围内光缆的可行性取决于 使用紧凑、便宜的器件，例如本发明的器件。

已做过一些努力来实现这一目标。但只限于小规模的研究，报导 了可调谐LED、VCSEL和MEM可调谐法布里-珀罗滤光器。

例如，Larson等发表了一些结果：(1)GaAs基可调谐滤光器(如 见Larson,M.C.,Pezeshki,B.,and Harris,J.S.,“Vertical coupled-cavity microinterferometer on GaAs with deformable-membrane top mirror”,IEEE Photonics Technology Letters,Vol.7,pp.382-384, 1995)；(2)LED(如见Larson,M.C.and Harris,J.S.,“Broadly-tunable resonant-cavity light emission”,Applied Physics Letters,Vol.67,No.5, pp.590-592,1995)；(3)VCSEL(如见Larson,M.C.,Massengale,A.R., and Harris,J.S.,“Continuously tunable micromachined vertical- cavity surface emitting laser with 18 nm wavelength range”, Electronic Letters,Vol.32,No.19,pp.330-332,1996)。

这些结果表明，Larson等用GaAs/AlAs作下DBR，镀金的氮化硅 膜作上反射镜。在前述的Larson等的所有器件中，上反射镜是在用盐 酸湿法选择腐蚀掉下面的GaAlAs牺牲层后才被放开的。由于这种技 术未对底割进行控制，上反射镜支撑结构的长度在器件与器件间是不 确定的。而且，由于Larson等的器件的上反射镜带宽和反射率都低于 本发明的介质膜DBR，所以Larson等的器件的调谐范围是有限的， 其谱线宽度也比本发明提供的器件要宽。

类似地，Tran等已表明：(1)可调谐法布里-珀罗滤光器(如见 Tran,A.T.T.T.,Lo.Y.H.,Zhu,Z.H.,Haronian,D.,and Mozdy,E., “Surface Micromachined Fabry-Perot Tunable Filter”,IEEE Photonics Technology Letters,Vol.8,No.3,pp.393-395,1996)；(2) LED(如见Christenson,G.L.,Tran,A.T.T.,Zhu,Z.H.,Lo,Y.H.,Hong, M.,Mannaerts,J.P.,and Bhat,R.,“Long-wavelength Resonant Vertical-Cavity LED/Photodetector with a 75-nm Tuning Range”, IEEE Photonics Technology Letters,Vol.9,No.6,pp.725-727,1997)； 前述的滤光器和LED使用聚酰亚胺作为牺牲层。这个方法同样没有精 确控制制造尺寸。此外，对于制作牢固的器件，聚酰亚胺不是稳定的 材料，因为老化会使腔长的稳定性变坏。

Vail等也报导了可调谐滤光器(如见Vail,E.C.,Wu,M.S.,Li,G.S., Eng,L.,and Chang-Hasnain,C.J.,“GaAs micromachined widely tunable Fabry-Perot filters”,Electronic Letters,Vol.31,pp.228-229, 1995)和VCSEL(如见Vail,E.C.,Li,G.S.,Yuen,W.,and Chang- Hasnain,C.J.,“High performance micromechanical tunable vertical- cavity surface-emitting lasers”,Electronic Letters,Vol.32,No.20, pp.1888-1889,1996)。Vail等的器件用GaAs/AlAs作上下DBR，带 有GaAs牺牲层使上DBR放开。虽然Vail等用于法腐蚀技术选择除去 GaAs牺牲层，但还是没有作到精确控制上反射镜的长度。

本发明在以下各方面与前述器件是不同的：

1．本发明提供了精确的方法，由淀积的支撑柱来确定上反射 镜支撑的横向尺寸和腔长；

2．本发明通过控制淀积的DBR中的应变来优化对VCSEL 增益性质的控制；

3．VCSEL结构的共焦设计可使空间单模、低阈值的光有效 地耦合至单模光纤。

本发明的描述要考虑与附图结合，同样的单元都用同样的标号。

图1是侧视的截面图，示意和概略地说明了微机电调谐共焦腔滤 光器；

图2是侧视的截面图，示意和概略地说明了共焦腔可调谐垂直腔 面发射激光器；

图3(即图3A-3F)包括一系列侧视截面略图，示意地说明了微机 电调谐滤光器的制作过程；

图4(即图4A-4G)包括一系列侧视截面略图，示意地说明了微机 电调谐垂直腔面发射激光器的制作程序；

图5是侧视的截面图，示意和概略地说明了具有共焦腔的固定波 长垂直腔面发射激光器；

图6A-6C表示三种不同形式的可调谐滤光器/VCSEL器件的俯视 图，图6A表示薄膜型结构，图6B表示有四个臂的器件结构，图6C 表示有三个臂的器件结构；

图7为一示意图，说明了在多量子阱结构中由应变的介质膜分布 布拉格反射器引入的压应变。

MEM可调谐滤光器2和MEM可调谐VCSEL4分别示于图3和 图4。

现在参看图4，可调谐VCSEL 4包括增益区6，通常由多量子阱 构成，置于机械调谐的高Q值法布里-珀罗腔8中，法布里-珀罗腔是 由一对分隔开的DBR10和12形成的。在本发明中可用施加静电场使 一个DBR12向另一个DBR10移动。这就改变了法布里-珀罗腔长， 并调节发射波长。VCSEL可由光激励，也可由内腔电互连实现电荷注 入。

而且，同一基本结构，没有增益区，就起着可调谐滤光器的作用 (见图3)。

如果需要，上DBR12可作成曲面结构，从而形成共焦滤光器(图 1)或共焦VCSEL(见图2)。

在半导体激光器受激发射时量子阱提供了必要的增益。对于 VCSEL，微腔中谐振的光学模与体积极小的增益区相互作用。结果在 相互作用区内由量子阱提供了最大增益。实现这点的最好方法是生长 压应变下的量子阱。量子阱中的压应变导致能带结构的各向异性，引 起简并的重空穴带和轻空穴带分裂，使重空穴带由轻空穴带上移几十 meV(对于1％的压应变)。虽然各向异性导致重空穴有效质量减小， 使得接近能带中心处发生跃迁的态密度减少，简并的分裂则导致导带 与所希望的重空穴带间粒子数优先反转。由于这两个效应，阈值电流 密度减小，对温度的敏感得到改善，微分效率增高。对于1300nm和 1500nm的波长尤其希望使用压应变的多量子阱，因为在这样的长波 长下俄歇复合和价带内的吸收引起本征损耗。因此不能过分强调 VCSEL中增益最大化的重要性。

应变的多量子阱不易生长，也比无应变的量子阱昂贵。

在本发明中提供了一种方法，可在晶体生长后对任何半导体材料 的无应变量子阱引入所希望的应变。这个工艺过程要求在淀积介质膜 时控制应变量。对于VCSEL，已发现最好淀积一个具有小心选择的应 变的DBR堆栈。

例如，参见图7，为了在量子阱中引入压应变，具有张应变的DBR 堆10淀积在MQW结构上(例如InGaAsP/InGaAs MQW)，接着将 片子倒装键合到一临时衬底20如硅上。然后用外延剥离工艺选择除去 临时衬底20，再淀积第二组DBR。

用前述工艺引入MQW的应变量可由下式来近似：

Δa/a=-2Pl2/c11l1

式中P为一个DBR层中的压应力；c11为MQW层的平均硬度系 数(杨氏模量)；l2为MQW层的厚度；l1为介质膜DBR的厚度。由 此式，显然在DBR中几个兆帕的张应力将在原来晶格匹配的MQW中 引入约1％的压应变。如以前所讨论的，控制淀积DBR的离子束能量 可控制引入DBR的应变。典型地以这种方式可在DBR对Si/Al2O3、 Si/SiO2、Si/MgO、TiO2/SiO2中引入几千至几千兆帕的应力(张应力或 压应力)。

                 器件制作

可调谐VCSEL或滤光器结构的三个示例的示意俯视图如图6A- 6C所示。

在图3和图4中分别示出了制作微机电调谐滤光器和VCSEL的步 骤的示意截面图。虽然这两种结构(即可调谐滤光器和VCSEL)在形 式上类似，但制作这两种器件所用的工艺步骤还是稍有不同的。下面 将详细讨论这两种器件每一个的制作步骤。

            MEM可调谐VCSEL/滤光器制作步骤

1．在制作可调谐VCSEL时，DBR10淀积在MQW结构6的上 面。淀积有DBR10的MQW结构6加到一适当的临时衬底上，如硅、 GaAs或蓝宝石。这是用某种方法如倒装键合、熔焊或范德瓦尔斯焊来 完成的(见图4A)。另一方面，在制作可调谐滤光器时，DBR10直 接淀积到所选的主衬底24上(图3A)。

2．在制作可调谐VCSEL时，图4A的结构被装到选择的主衬底 24上(图4B)。然后用回蚀技术选择除去MQW结构6寄生的临时 衬底20(图4B)。在这个方法中用高选择比的腐蚀剂来腐蚀临时衬底 20，并在设置的止蚀层26处停止腐蚀。已发现用1∶1混合的浓盐酸 与次氯酸在InGaAs上择优腐蚀InP。对于GaAs衬底，柠檬酸与过氧 化氢混合物可用来在AlAs上选择除去临时衬底20。另一种对GaAs衬底有用的方法是在临时衬底20及其上淀积的MQW结构6间生长一 薄AlAs层。然后AlAs可被选择腐蚀掉。这就可以使MQW结构从 GaAs衬底上剥离。

3．这时，对于可调谐滤光器2(图3B)，一个调谐电极28淀积 在DBR层10上，对于可调谐VCSEL4(图4C)则淀积在MQW结 构6上。如果合适，可在电极28的局部或全部淀积绝缘层29(即， 电学隔离层)。如见图4B，图中在电极28上用虚线示出了绝缘层29。

4．在衬底24上淀积了DBR层10(对于滤光器)，或MQW结 构6和DBR层10(对于VCSEL)以后，预定厚度的聚酰亚胺或铝， 或某种其他牺牲材料层30被淀积在MQW结构6上(对于可调谐 VCSEL，图4D)和DBR层10上(对于可调谐滤光器，图3C)。聚 酰亚胺或铝结构30在下面详述的方法中起牺牲层的作用。精确控制聚 酰亚胺或铝结构30的厚度和横向尺寸是十分重要的。这是因为这个淀 积层的厚度将决定可调谐法布里-珀罗器件中最终的空腔长度，因而也 是器件未偏置时的谐振波长。另一方面，淀积的聚酰亚胺或铝30的横 向尺寸也决定了器件的电压响应和谐振频率。

5．此后，使用腐蚀掩模在聚酰亚胺或铝淀积层30上刻图形，留 下圆盘形的淀积层，在其腐蚀周边形成向外倾斜的边32(图3C和 4D)。腐蚀的淀积层30的尺寸和形状是仔细设计和控制的，因为其 外表面将决定上DBR支撑的长度。聚酰亚胺或铝盘的作用如同一个 “微型模具”，它精确地控制着可调谐VCSEL或滤光器的横向尺寸 和形状。这种对可调谐VCSEL或滤光器横向尺寸的精确控制不是与 制作现有的MEM可调谐VCSEL或滤光器所用的已有技术并行的。 前面间接提到，在后面的工艺中聚酰亚胺或铝层30将用适当的干法腐 蚀技术选择除去。

6．在用Si3N4膜作上反射镜支撑时，一金属薄层36(图3D和4E) 先淀积在露出的聚酰亚胺或铝淀积层的上表面，形成上调谐电极。

7．此后，或是氮化硅薄层，或是非铝的另一种金属薄层，如钛- 钨(TiW)，一般表示为37，被淀积在整个结构上，即，在聚酰亚胺 或铝牺牲层30和其余结构上(图3D和4E)。在这种情况下，层37 是不透明的，其中心部分被除去(见图3D和3E，及图4E)。

8．然后在器件周边，在器件的膜或系链能与下DBR接触处选择 淀积厚的金属(如Al或TiW)或硬的介质层38(如氮化硅)来形成 边框(膜型器件，如图6A所示)，或淀积支撑片而形成支撑臂(系 链型器件，如图6B或6C)。环面或支撑片38的宽度是这样选择的， 使得厚金属框由下DBR10的上面扩展到聚酰亚胺或铝牺牲层30的斜 边32，直到牺牲层圆盘30的上面，如图3E和4F所示。这是个重要 的革新，因为在除去了下面的聚酰亚胺或铝牺牲层30后，厚金属结构 38为氮化硅或TiW膜37提供了坚固的支撑。

9．使用腐蚀掩模，通过透明的金属和氮化硅或薄(TiW)膜37 一直腐蚀到下面的牺牲层圆盘30，从而形成了沿径向发散的开孔40 (图6A)。这些开孔为腐蚀剂提供了通路来选择除去下面的牺牲层圆 盘30。

10．只在氮化硅/金属膜或TiW膜37的中心42选择淀积直径为几 十微米的圆形上DBR堆12(图3E，4G和6A-6C)。这样的选择淀 积提供了质量极佳的DBR，这就避免了必须腐蚀上DBR的困难和昂 贵的工序。至此，假定在完成的器件中上DBR堆12为弯曲的结构(例 如，如图1和2所示)，适当大小和类型的应变在淀积上DBR堆时以 前面所讨论的方式被引入上DBR堆12中。

11．最后，用氧等离子体选择除去聚酰亚胺层30(图3F和4G)。 这就使得氮化硅/金属膜37与上DBR12一起被放开了。至此，形成 的上DBR堆12具有适当大小和类型的应变，从而形成弯曲的DBR 堆，放开了氮化硅/金属膜37就可以假定上DBR堆具有所希望的弯曲 结构。在选择除去铝牺牲层30时使用CF4等离子体。因为不用温法化 学腐蚀就没有因表面张力而使放开的氮化硅/金属膜或TiW膜37崩溃 的危险。

这就完成了MEM可调谐滤光器/VCSEL的制作，VCSEL的激射 可用光泵浦，可使用另一个激励激光器，其波长在所用的MQW的增 益谱范围内应是被高度吸收的。本发明所讨论的实现波长调谐的技术 也可容易地用于电流注入MEM可调谐VCSEL。在这种情况下，在可 调谐VCSEL制作步骤的第一步中，淀积第一个反射膜堆之后，必须 在MQW结构的p-i-n结上制作腔内电互连。

前面对本发明的优选示例已用附图作了介绍，且没有限制。对于 前面详细叙述的工艺技术将会做出各种修改、变更、改变、改编和类 似的行为。因此，本发明应被了解为只受权利要求条款的限制。