[发明专利]利用化合物半导体的选择性蚀刻制造微透镜和集成有微透镜的光电器件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造微透镜和利用微透镜的光电器件的方法，更具体而言，涉及利用化合物半导体的选择性蚀刻制造微透镜和具有微透镜的光电器件的方法。

背景技术

近年来，光学系统尺寸的减小导致了对具有光学器件的光电器件集成的强烈需求，从而增大了微透镜的必要性和适用性。可以在光源中集成微透镜，以便在光通信系统中高效地组合光纤和光源，从而可以降低整体封装成本。而且，由于可以在光检测器中集成微透镜以将光聚集到光检测器的有源层中，因此可以提高光检测器的效率。此外，可以在图像传感器的滤色片上形成微透镜，以提高图像传感器的光灵敏度。

微透镜在光互连系统中的必要性近来得到了关注，人们对垂直腔面发射激光器(VCSEL)兴趣很大，由于其具有很多结构优点，而被看作是用于平行光互连系统的理想光源。最重要的是，具有氧化物电流孔径的VCSEL由于其有源区小而具有很多优点，例如，阈值电流低、光电转换效率高和单模工作。

然而，由于从表面发射的激光束扩散很大，所以当将VCSEL应用于自由空间光互连系统时，信道之间的串扰可能会增大，并且光传输距离和光对准的容限受到限制。而且，在使用光波导作为光传输介质的芯片到芯片的光互连系统中，光源和光波导之间的组合效率受到激光束扩散的制约。因此，通过将微透镜集成到光电器件中，可以减少系统的封装成本。

图1到3为示出了利用光刻胶或诸如聚酰亚胺的聚合物的回流制造微透镜的常规工艺的截面图。

参考图1，制造微透镜的常规方法包括在半导体衬底2上沉积聚合物材料1，对聚合物材料1进行构图，如图2所示利用典型的光刻工艺形成聚合物材料1的圆柱形图案，以及通过加热所得到的结构使聚合物材料1回流。

在完成回流工艺时，基于聚合物材料1因表面张力而形成曲面的特性而制得如图3所示的微透镜。或者，可以将聚合物材料1干法蚀刻成透镜型以在衬底2上形成微透镜。

由于可以将光电器件应用于外部透镜与该光电器件未进行光学对准的系统，其中上述微透镜集成到所述光电器件中，因此可以降低系统的封装成本，并能够减小已封装系统的尺寸。

图4为集成有常规微透镜的VCSEL的截面图。

参考图4，VCSEL包括通过对聚合物材料进行回流或干法蚀刻而形成在衬底2上的微透镜201。使用微透镜201导致激光束11的发射角减小。而且，可以将微透镜201应用于没有额外的外部透镜的光通信系统或光互连系统。

上述VCSEL包括p型金属层3、上布拉格镜4、氧化铝层5、有源层6、下布拉格镜7和电流孔径8。

然而，上述方法难以制造高密度的微透镜阵列。具体而言，当透镜之间的距离较小时，在回流工艺期间相邻透镜彼此接触，从而不能获得所需的微透镜阵列。而且，由于只能在衬底2上制造微透镜201，所以需要对衬底2的底表面进行抛光以降低散射，并且应当在衬底2上涂布抗反射涂层(ARC)10，然后应当在其上形成微透镜201，以便消除法布里-珀罗谐振腔效应。此外，在光刻工艺中应当将光电器件200与微透镜201精确对准，这使得集成工艺变得复杂了。

发明内容

技术问题

本发明涉及一种微透镜和利用化合物半导体的选择性去除制造微透镜的方法。

本发明还涉及制造具有微透镜的光电器件的方法。

技术方案

本发明的一个方面提供了一种制造微透镜的方法。该方法包括：在衬底上形成具有反应性金属的化合物半导体层；蚀刻所述化合物半导体层，并形成化合物半导体层图案；以及部分去除所述化合物半导体层图案的侧表面，并形成透镜层，其中通过数字合金方法形成所述化合物半导体层，所述化合物半导体层包括含有所述反应性金属的反应层和由不含反应性金属的化合物半导体构成的半导体层，并且在所述化合物半导体层的上部位置所述反应性金属的浓度较高。

本发明的另一个方面提供了一种制造微透镜的方法。该方法包括：利用外延生长工艺，通过反复堆叠含有反应性金属的反应层和不含反应性金属的半导体层在衬底上形成化合物半导体层，所述反应层在所述化合物半导体层的上部位置较厚；在所述化合物半导体层上形成掩蔽层以保护所述化合物半导体层的顶表面；选择性蚀刻所述化合物半导体层和掩蔽层，并形成化合物半导体层图案和掩蔽层图案；通过蚀刻所述化合物半导体层图案的侧表面形成透镜层，其中以高蚀刻速率蚀刻所述化合物半导体层图案的上部，在该部分中所述反应性金属的含量高，而以低蚀刻速率蚀刻所述化合物半导体层图案的下部，在该部分中所述反应性金属的含量低；以及去除保留在所述透镜层上的所述掩蔽层图案，并暴露所述透镜层。