一種單模高功率垂直腔面發射雷射器及其製作方法

2023-05-16 21:02:06 2

專利名稱：一種單模高功率垂直腔面發射雷射器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及垂直腔面發射雷射器技術領域，特別是單模高功率的垂直 腔面發射雷射器的結構及製作方法。
背景技術：
垂直腔面發射雷射器(VCSEL)以單色性好、發散角小、單縱模激射、 低閾值電流、高調製帶寬、易與光纖耦合、易於高密度集成、"在片"檢測 和低成本等優勢，廣泛應用於雷射列印，光存儲，密度光存儲和讀出，自 由空間光互連以及單模光纖中數據高速傳輸等等。但在這些實際應用中， 多要求VCSEL處於具有穩定的基橫模工作特性，特別是高輸出功率的基 橫模工作。傳統的製備單模VCSEL的方法是減小其VCSEL的氧化孔徑， 實質上是為了減少有源物質的工作區域，增加高階模式損耗，由於受限於 發光的孔徑和微分電阻，單模VCSEL特性一直難以提升。
為了獲得單模高功率VCSEL，人們採用離子注入和氧化限制相結合、 表面刻蝕，三角形空洞，外腔結構、等多種不同的方法，但這些方法得到 的都是夾雜有高階模式的變形的基模，高階模式的散射損耗不可避免。一 個有潛力使VCSEL實現高速、大功率單模輸出的方法是在VCSEL中引入 光子晶體，來限制橫向光場分布，使之只支持單模運轉。與其他方法相比， 光子晶體波導結構的VCSEL具有設計簡單、可重複性好、低閾值電流、 高輸出功率等潛在的優勢。
目前，對於光子晶體VCSEL的研究備受關注，引起了各國科研人員 的強烈興趣，早在2002年韓國先進技術研究院Song等人率先報導了光子 晶體VCSEL的器件模擬和實驗結果。周期5pm單缺陷腔10pm孔徑，邊 模抑制比高達35 40dB的單模輸出，但輸出功率很低，小於lmW。
2003年Yokouchi小組在理論上進一步發展了光子晶體VCSEL的模型，找到了三維刻蝕深度對單模條件的影響，引入深度因子，同年製作了
7孔缺陷的室溫CW的光子晶體VCSEL。
2004年A丄Danner小組提出了光子晶體VCSEL設計空間，完善理論 模型；同年採用耦合腔的設計，將功率提高到2.0mW。
2005年A丄Danner小組通過優化光子晶體VCSEL氧化孔徑，獲得單 模功率3.1mW。
2006年A丄Danner通過比較1652支不同結構單管，實驗上驗證了設 計空間的概念。
2006年Alight Technologies將光子晶體結構應用到長波長VCSEL中， 在20"C時單模輸出功率近似達到3mW，在90'C時仍發射出1.4mW的單 模功率，7(TC時，雷射器在整個電流範圍內仍具有大於30dB的超高邊模 抑制比。
但是，到目前為止，現有光子晶體VCSEL的輸出功率並不高，國際 光子晶體VCSEL最大輸出功率僅為3.1mW。

發明內容
本發明的目的在於提供一種高功率單模垂直腔面發射雷射器的結構 和製作方法，改善傳統垂直腔面發射雷射器單模輸出功率低的缺點。
本發明涉及一種單模高功率垂直腔面發射雷射器的結構，在這種結構 中引入光子晶體，可增大氧化孔徑，提高單模輸出功率；同時採用鍵合技 術將傳統VCSEL外延片轉移到Si襯底和採用底部出光的設計，便於拉近 VCSEL外延片有源區與Si襯底的距離，改善器件熱學特性，進一步提高 單模輸出功率。所述雷射器包括P型電極1， P型Si襯底2， P型電極1 製作在Si襯底2的背面，金屬鍵合層3，通過金屬鍵合層將Si襯底2和P 型分布布拉格反射鏡(DBR) 4鍵合在一起，P型分布布拉格反射鏡(DBR) 4,與能夠提供增益的有源區6連在一起，用於提供高的反射率，同時形成 電流注入通道，P型DBR4在靠近有源區的包含一層高鋁組分氧化限制層 5，用於形成電光限制，有源區6三明治式夾雜P型DBR4和N型DBR7 之間，用於提供光增益，N型DBR7用於提供高的反射率，同時形成電流 注入通道，Si02掩膜8，用於聚醯亞胺或苯並環丁烯(BCB) 9，製作在
5Si02上面，起到墊高臺面的目的，N電極IO，做在N型DBR7上面，光 子晶體11 ，做在N型DBR上出光窗口的外圍，刻蝕深度在10 —15對DBR 層，出光窗口12，位於N型DBR的中心位置。
本發明還涉及一種單模高功率垂直腔面發射雷射器的製作方法，其特 徵在於，該方法包括如下步驟
步驟一、在VCSEL外延片表面和P型Si片表面分別濺射金屬層，該 金屬層可以是TiAuSnAu、 TiAu等材料，濺射溫度20(TC左右，厚度在1000 —3000A。
步驟二、通過低溫金屬鍵合技術將VCSEL外延片與P型Si襯底2 鍵合在一起，金屬鍵合在一定溫度和壓力的鍵合設備中完成，鍵合溫度250 —400°C，鍵合壓力0.1 —1.5Mpa範圍。
步驟三、減薄GaAs襯底14的一側，再採用化學溼法腐蝕的方法先後 去除GaAs襯底14和相應的腐蝕停止層13， GaAs襯底去除的腐蝕液採 用體積比NH40H:H202 (1: 20)，腐蝕停止層的去除採用體積比HCL:H20 (2: 1);
步驟四、光刻溼法腐蝕出圓柱形臺面，暴露出氧化限制層5; 步驟五、進行側向溼法氧化，形成電、光限制，溼法氧化的條件氮
氣化(1—2L/min)攜帶水汽(80—95°C)進入400—450。C氧化爐中，氧 化孔徑控制在10 20(im左右；
步驟六、PECVD澱積Si028， Si02是厚度2000—2500A;
步驟七、用聚醯亞胺固化臺面9，其中聚醯亞胺的厚度小於3M m。
步驟八、光刻腐蝕出光孔裡的Si02，採用HF:NH4F:H2O(3ml:6g:10ml) 腐試液，腐試30-40秒；
步驟九、光刻、蒸發N型電極，N型電極材料可為AnGeNi/Au，厚度 3000 A左右，剝離N型電極。
步驟十、電子束光刻曝光，ICP刻蝕出光子晶體11，光子晶體ll做 在N型DBR上出光窗口的外圈，刻蝕深度在10—15對DBR層；
步驟H"^—、 Si襯底減薄100pm左右，製備P型電極，濺射溫度200°C， TiAu3500A，最後合金，合金溫度430—450。C，合金時間30 — 50秒。本發明提出基於晶片鍵合及光子晶體波導結構的單模高功率VCSEL 可以提高單模VCSEL的輸出功率。這種結構中引入光子晶體，可增大氧 化孔徑，提高單模輸出功率；同時採用鍵合技術將傳統VCSEL外延片轉 移到Si襯底和採用底部出光的設計，便於拉近VCSEL外延片有源區與Si 襯底的距離，改善器件熱學特性，進一步提高單模輸出功率。


圖1是基於晶片鍵合和光子晶體波導結構的VCSEL的示意圖2是單模高功率VCSEL製備工藝流程圖3是N型DBR溼法腐蝕後的顯微鏡圖4是溼法氧化後的顯微鏡圖5是聚醯亞胺固化臺面後的顯微鏡圖6是電子束曝光後的圖片；
圖7是ICP刻蝕光子晶體後圖片。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
實施例1: P型電極1為TiAu， P型電極1製作在Si襯底2的背面， P型Si襯底2，金屬鍵合層3為TiAu/Sn/AuTi，通過金屬鍵合層3將Si 襯底2和P型分布布拉格反射鏡(DBR) 4鍵合在一起，P型分布布拉格 反射鏡(DBR ) 4 ， 28個周期調製摻雜且組分漸變的 Ga0.1A10.9As/A10.9Ga0.1As材料交替組成，與能夠提供增益的有源區6連 在一起，用於提供高的反射率，同時形成電流注入通道，P型DBR4在靠 近有源區的包含一層高鋁組分氧化限制層5，用於形成電光限制，有源區 6三明治式夾雜P型DBR4和N型DBR7之間，用於提供光增益，有源區 6由3個AlInGaAs量子阱組成，有源區厚度為R， X為激射波長，N型 DBR7由22個周期調製摻雜且組分漸變A10.9Ga0.1As/Ga0.1A10.9As材料 交替製成，N型DBR7用於提供高的反射率，同時形成電流注入通道，絕 緣層8採用Si02材料製成，聚醯亞胺9採用光敏感性ZKPI-520I,做在Si02上面，起到墊高臺面的目的，N型電極10AuGeNi/Au，做在N型DBR7 上面，光子晶體ll，做在N型DBR上出光窗口的外圍，採用電子束曝光 和ICP刻蝕製備得到，刻蝕深度在10—15對DBR層，出光窗口 12，位 於N型DBR的中心位置。
本發明在工藝方面，採用清洗、蒸發電極、金屬鍵合、襯底減薄、襯 底腐蝕去除、溼法腐蝕臺面、溼法氧化、生長絕緣膜、光刻、套刻、光子 束曝光、ICP刻蝕、電極蒸發、帶膠剝離，襯底減薄、合金、解理、壓焊、 封裝等工藝製備垂直腔面發射雷射器。該方法包括如下步驟
1 )採用金屬有機化學氣相沉積方法在N型GaAs襯底14依次先後生 長腐蝕停層AlAs或GalnP13， 22個周期調製摻雜且組分漸變 Alo.9Gao.,As/Ga(uAlo.9As N型DBR7， U腔長厚的AlGalnAs量子阱有源區 6，量子阱增益峰值波長840nm，30個周期組分漸變Alo.9Ga(uAs/Ga(nAlo.9As P型DBR4， P型DBR4中靠近有源區附近包含高鋁組分氧化限制層5為 Al0.98Gao.02As0
2) P型Si襯底和VCSEL外延片表面分別濺射TiAuSnAu金屬層，見 圖2 (a)所示。
3) 通過金屬鍵合技術將表面濺射有金屬的VCSEL外延片與P型Si 片鍵合在一起，如圖2 (b)。
4) 減薄GaAs襯底14 一側，減薄少至50-60|im,再採用化學溼法腐 蝕的方法去除GaAs襯底14和相應的腐蝕停止層13，再採用化學腐蝕的 方法去除GaAs襯底14和相應的腐蝕停止層13， GaAs襯底去除的腐蝕液 採用體積比NH40H:H202( 1:20)，腐蝕停止層的去除採用體積比HCL:H20
(2: O腐蝕液，如圖2 (c)。
5) 通過標準光刻掩膜技術，形成圓柱形臺面圖形，用光刻膠做掩膜 進行溼法化學腐蝕N型DBR7，有源區6，部分P型DBR4，直至暴露出 Al,Ga。.Q2As氧化限制層5的側壁。
6) 通過溼法氧化工藝將暴露出側壁Alo.98Gao.。2As層5，氮氣N2攜帶 水汽進入氧化爐中，側向氧化，形成電、光限制孔徑，氧化孔徑控制在10 2(Him左右。溼法氧化工藝條件氮氣N2流量1L/min，水浴溫度95°C， 氧化爐溫度43(TC，氧化時間30-50分鐘。
87) PECVD高溫300。C澱積絕緣層SiO28。
8) 採用光敏感性ZKPI-520I聚醯亞胺9，通過標準光刻、曝光顯影掉檯面上聚醯亞胺，然後設定不同的溫度對聚醯亞胺固化，墊高臺面，防止電極斷路。
9) 用標準套刻工藝形成上電極圖形，以光刻膠作掩膜腐蝕掉Si028。腐蝕掉出光孔中的Si02，採用HF:NH4F:H2O(3ml:6g:10ml)腐試液，腐試30-40秒;
10) 通過標準光刻掩膜技術，帶膠蒸發下N型電極AuGeNi/Au，帶膠剝離形成下N型電極10。
11) 通過電子束光刻曝光技術，並採用ICP刻蝕技術在出光窗口外圈刻蝕出光子晶體11， 刻蝕深度1.2-1.5pm。
12) 減薄背面Si襯底，濺射P型電極12TiAu，然後合金，合金條件，在合金爐內430—450°C ， 45秒，整個工藝製備完成後的示意圖見圖2 (d)。
實施例2: 980nm波長的單模高功率VCSEL，中間多量子阱有源區7採用InGaAs/GaAs材料，N型DBR7和P型DBR4分別採用調製摻雜且組分漸變GaAs/Alo.9Ga(uAs，其它部件與實施例l相同。
實施例3: 1310nm波長的單模高功率VCSEL，中間多量子阱有源區6，採用GalnNAs/GaAs，或量子點材料，N型DBR7和P型DBR4分別採用調製摻雜且組分漸變GaAs/Al。.9Ga(nAs材料，其它部分與實施例1相同。
以上所述，僅是根據本發明技術方案提出的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明的權利要求保護範圍內。
權利要求
1、一種單模高功率垂直腔面發射雷射器，其特徵在於，包括一P型電極(1)，該電極(1)製作在襯底(2)的下面，電極材料為TiAu或TiPtAu；一Si襯底(2)，採用P型Si襯底；一金屬鍵合層(3)，通過金屬鍵合的方法將VCSEL外延層從GaAs襯底轉移到P型Si襯底；一P型DBR(4)，用於反射雷射腔內的光來形成雷射振蕩，組成DBR的每對材料為調製摻雜且組分漸變的AlGaAs材料，提供低電阻和高反射率；一氧化限制層(5)，通過對該層溼法氧化形成電、光限制；一有源區(6)，該有源區材料是InGaAs、AlGaInAs、InGaNAs等量子阱材料或著InGaAs/InAlAs量子點材料，有源區厚度為1λ，λ為激射波長用於產生光增益；一N型DBR(7)，用於反射雷射腔內的光來形成雷射振蕩，DBR的每對材料為調製摻雜且組分漸變的AlGaAs或突變的AlGaAs材料，提供低電阻和高反射率；一SiO2掩膜(8)，採用等離子增強型化學汽相澱積(PECVD)方法澱積，起到絕緣層的作用；一聚醯亞胺(9)，用於通過聚醯亞胺固化臺面技術，墊高臺面，防止電極斷路；一N型電極(10)，電極材料為AuGeNi/Au；一光子晶體(11)，用於改善VCSEL模式特性，通過電子束曝光和ICP刻蝕的方法製備得到；以及一出光窗口(12)。
2、 根據權利要求1所述的垂直腔面發射雷射器，其特徵在於，所述金屬鍵合為低溫鍵合。
3、 根據權利要求1所述的單模高功率垂直腔面發射雷射器，其特徵在於，所述Si襯底為高熱導率襯底。
4、 根據權利要求1所述的單模高功率垂直腔面發射雷射器，其特徵在於，所述出光窗口製作在N型DBR上，採用底部出光的方式。
5、 一種單模高功率VCSEL的製作方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟步驟一、在VCSEL外延片表面和P型Si片表面濺射金屬層；步驟二、通過低溫金屬鍵合技術將VCSEL外延片與P型Si襯底鍵合在一起；步驟三、減薄GaAs襯底(14)的一側，腐蝕去除GaAs襯底和腐蝕停止層(13);步驟四、光刻溼法腐蝕出臺面，暴露出氧化限制層；步驟五、進行側向溼法氧化，形成電、光限制；步驟六、PECVD澱積Si02步驟七、用聚醯亞胺固化臺面；步驟八、光刻腐蝕出光孔裡的Si02;步驟九、蒸發N型電極，光刻剝離AuGeNi/Au;步驟十、電子束光刻曝光，感應耦合等離子體(ICP)刻蝕出光子晶體波導；步驟十一、Si襯底減薄，製備P型電極，合金。
6、 根據權利要求5所述的單模高功率垂直腔面發射雷射器的製作方法，其特徵在於，所述聚醯亞胺的厚度小於3p m。
全文摘要
本發明是一種單模高功率垂直腔面發射雷射器，屬半導體光電子領域。其特徵在於，包括P型電極(1)，P型Si襯底(2)，金屬鍵合層(3)，P型分布布拉格反射鏡(DBR)(4)，氧化限制層(5)，有源區(6)，N型DBR(7)，SiO2掩膜(8)，聚醯亞胺或苯並環丁烯(BCB)(9)，N電極(10)，光子晶體(11)，出光窗口(12)。在該結構的垂直腔面發射雷射器中引入光子晶體，可增大氧化孔徑，提高單模輸出功率，同時採用鍵合技術將傳統VCSEL外延片轉移到Si襯底上和採用底部出光的設計，便於拉近VCSEL外延片有源區與Si襯底的距離，改善器件熱學特性，進一步提高單模輸出功率。
文檔編號H01S5/00GK101667715SQ20081011958
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月3日 優先權日2008年9月3日
發明者劉安金, 張冶金, 彭紅玲, 渠紅偉, 科 王, 鄭婉華, 陳良惠 申請人:中國科學院半導體研究所