微小孔垂直腔面發射雷射器的製備方法
2023-04-23 16:26:41 1
專利名稱：微小孔垂直腔面發射雷射器的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體雷射器的製備方法，具體涉及微小 孔垂直腔面發射雷射器的製備方法。
背景技術：
目前的光學數據存儲系統，如CD或者DVD都是遠場存儲 系統，由於受到了衍射極限的限制，所以存儲密度有限。利用 光源近場處的倏逝波可以很好的突破衍射極限的限制，大大提 高存儲密度，因此高密度光學數據存儲成為近場光學應用一個 很大的領域。如果能製造出突破衍射解析度極限的微小光源， 對微區成像、微區探測和納米光刻等應用領域都將是極大的推 動。在這樣的背景下，近場光學得到了飛速發展。近場數據存 儲成為了最有前景的高密度數據存儲方法之一。其中製備高質 量近場光源是一個重要的研究方向。基於邊發射雷射器製備的微小孔徑雷射器 (very-small-aperture laser, VSAL)， 使探針型近場存儲取 得了突破性進展，通光效率比普通光纖探針有很大的提高，必
將極大的提高近場光學顯微鏡的分辨能力，作為納米尺度的光 源還可用於納米光刻、納米加工、納米光操作及納米光譜等眾 多領域。但是，由於製備VASL時要在有源區上刻蝕出微小孔，而 有源區的尺寸很小，小孔的準確定位難控制，工藝的可重複性 差。從而導致製備工藝複雜、難度大、成品率較低。並且製備 出的器件壽命很短，達到的功率密度也還不足以進行數據的存 儲。基於垂直腔面發射雷射器相對於邊發射雷射器本身的優 越性，如有更小的尺寸，更利於實現集成化，閾值電流密度低， 具有對稱光輸出模式等特點。並且相對於基於邊發射雷射器制 備的微小孔雷射器來說，基於垂直腔面發射雷射器製備微小孔 雷射器會相對容易。發明內容本發明的目的在於，提供一種微小孔垂直腔面發射雷射器 的製備方法，其具有以下優點具有更小的尺寸，利於實現集 成化，閾值電流密度低，並且具有對稱光輸出模式；製備工藝 簡單，工藝可重複性好，刻蝕微小孔l 6時定位容易。本發明一種微小孔垂直腔面發射雷射器的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟l:取一普通垂直腔面發射雷射器，該雷射器包括，N面電極、出光腔面、出光孔、P面電極；步驟2:在普通垂直腔面發射雷射器的出光腔面上製備增 透膜；步驟3:利用聚焦離子束刻蝕技術刻蝕掉P面電極上的增 透膜；步驟4:在出光腔面上的增透膜上和P面電極上製備金屬膜；步驟5:在出光孔上刻蝕出亞波長尺寸的微小孔，完成微小孔垂直腔面發射雷射器的製作。其中所述增透膜材料為Si02和SiNx的混合物，或者是 A 1 203 、 MgF材料，厚度為2 0 0 nm— 4 0 0 nm。其中所述的增透膜為絕緣層，可以避免在下一步中金屬和 出光腔面直接接觸，從而保護出光腔面。其中所述的P面電極和N面電極為電流注入通道。其中所述的金屬膜材料為Ti/Au、 Ti/Ag、 Ti/Al或者 Ti/Ni，其中Ti的厚度為5 nm— 3 0 nm， Au、 Ag、 Al或者Ni 層的厚度為6 0 nm— 4 0 0 nm。其中所述金屬膜中的Ti可以提高器件表面的粘附性。其中所述金屬膜為高反射膜，可以阻擋住普通垂直腔面發 射雷射器正常的輸出光。其中所述在出光孔上刻蝕的微小孔尺寸為亞波長量級，深
度和金屬膜的厚度相同。其中所述聚焦離子束刻蝕時，採用最小的離子束流密度和 最大的重合距離。本發明的微小孔垂直腔面發射雷射器的製備方法，在普通 垂直腔面發射雷射器基礎上製備得到的。具體製備工藝包括在 普通垂直腔面發射雷射器出光腔面1 1上鍍增透膜1 4，去掉P面電極l 3上的增透膜1 4後鍍金屬膜1 5，然後用聚焦離 子束刻蝕的方法在出光孔1 2上製備亞波長尺寸的微小孔1 6，將光限制在低損失微小諧振腔中，使光通過微小孔l 6出 射，從而生成高效率的近場光。
為進一步說明本發明的技術內容，以下結合附圖對本發明 詳細說明如後，其中圖1為普通垂直腔面發射雷射器出光腔面示意圖。圖2 —圖5是在普通垂直腔面發射雷射器基礎上製造本 發明微小孔垂直腔面發射雷射器的工藝流程圖。圖中1 0為N面電極，1 l為出光腔面，1 2為出光孔， 13為P面電極，14為增透膜，15為金屬膜，16為微小 孔，1 7為側面，1 8為雷射器。
具體實施方式
請參閱圖1 一圖5所示，本發明一種微小孔垂直腔面發射 雷射器，其中包括以下步驟(1 )在普通VCSEL (圖l )的出光腔面l l上用電子迴旋共振等離子體化學氣相沉積法(ECR plasma CVD)澱積增透 膜1 4 ，如圖2所示，材料是Si02和SiNx混合物，或者為Al 2 0 3 、 MgF等材料，厚度為2 0 0 nm— 400 nm。增透膜14 作為絕緣膜可以避免在下一步中金屬和出光腔面11直接接 觸，從而起到保護出光腔面ll的作用。(2 )利用聚焦離子束系統刻蝕掉P面電極1 3上的增透 膜1 4，如圖3所示，使P面電極1 3和N面電極1 0能夠形 成電流注入通道。刻蝕時間為3 0 s — 1 2 0 s 。(3)在增透膜1 4上面濺射金屬膜1 5，如圖4所示， 材料為Ti/Au、 Ti/Ag、 Ti/Al或者Ti/Ni，其中Ti的厚度比 較薄，為5 nm— 3 0 nm，主要是為了提高粘附性，使Au層在 腔面上的粘附性較好，不易剝落。Au、 Ag、 Al.或者Ni膜的厚 度為6 0 nm— 4 0 0 rm金屬膜1 5作為反射膜阻擋住雷射器正常的輸出光，使出光腔面l l的反射率在激射波長附近大於 9 0%。製備金屬膜l 5時，把雷射器的N面電極1 O用絕緣 材料粘到玻璃片上，同時用絕緣材料對雷射器的側面1 7進行 保護，防止濺射過程中金屬蔓延到器件側面1 7使N面電極1 0和出光腔面1 l短路。濺射完成後，檢測雷射器的功率-電
壓-電流特性，確保雷射器的電壓特性正常，金屬膜l5完全 覆蓋住正常的輸出光，以提高微小孔垂直腔面發射雷射器的成品率o(4 )利用聚焦離子束刻蝕技術在出光孔1 2上刻蝕出亞 波長尺寸的微小孔l 6，如圖5所示，將光限制在低損失微小 諧振腔中，使光通過微小孔1 6出射，以產生高效率的近場 光。刻蝕金屬膜1 5時，為了最大程度的減輕刻蝕過程對出光 腔面l 1的損傷，採用最小的離子束流密度，它是決定刻蝕速 率的主要因素。對於決定表面粗糙度的主要因素——重合距 離，採用了最大的重合距離。刻蝕的微小孔l 6為亞波長尺 寸，本發明涉及的垂直腔面發射雷射器波長為6 5 0 nm—9 80 nm，微小孔1 6的直徑為5 0 nm— 4 5 0 nm，深度和金屬膜1 5的厚度相同。單個微小孔1 6的刻蝕時間一般為2 0 s — 6 0 s ，以恰好打掉金屬膜1 5為據。所述步驟(1 )是這樣進行的，在普通VCSEL的出光腔面 1 1上用電子迴旋共振等離子體化學氣相沉積法(ECR plasma CVD)澱積材料為Si02和SiNx混合物的增透膜l 4，或者是 A1 2 0 3 、 MgF等材料，厚度為2 0 0 nm— 4 0 0 nm。這種方法 真空度高；可在較低溫度下澱積；澱積的增透膜l 4幾乎沒有 針孔緻密度高；可用電子迴旋共振的H2/He等離子體對腔面 進行去碳去氧的清潔處理，且澱積的薄膜可重複性好。這層增 透膜l4作為絕緣層在下一步鍍金時避免了金屬和出光腔面1 1直接接觸，可以起到保護出光腔面1 1的作用。所述步驟(2 )是這樣進行的，刻蝕掉P面電極1 3上的增透膜l 4，厚度為2 0 0 nm— 4 0 0 nm，使P面電極1 3和 N面電極l O能夠形成電流注入通道。刻蝕時間3 0 s— 1 2 0s。採用的是美國FEI公司生產的雙束DualBeam DB 2 3 5 —FIB工作站，Ga +離子束的最小聚焦點7 nm。整個系統在 1 0 "Pa以上的高真空條件下進行工作。所述步驟(3 )是這樣進行的，用磁控濺射法鍍金屬膜 1 5 ，材料為Ti/Au、 Ti/Ag、 Ti/Al或者Ti/Ni，其中Ti的 厚度比較薄，為5 nm— 3 0 nm，它的作用是提高粘附性，使 Au層在腔面上的粘附性較好，不易剝落。Au、 Ag、 Al或者 Ni層的厚度為6 0 nm— 4 0 0 nm。金屬膜l 5作為反射膜可以阻擋住垂直腔面發射雷射器正常的輸出光，使出光腔面1 1 的反射率在激射波長附近大於9 0%。製備金屬膜l 5時，把 雷射器的N面電極1 0用絕緣材料粘到玻璃片上，同時用絕緣 材料對雷射器的側面1 7進行保護，防止濺射過程中金屬蔓延 到器件側面l 7使N面電極1 0和出光腔面1 l發生短路。濺 射完成後，檢測雷射器的功率-電壓-電流特性，確保金屬膜l 5完全覆蓋住正常的輸出光，器件的電壓特性正常，以提高微 小孔器件的成品率。所述步驟(4 )是這樣進行的，在出光孔1 2上刻蝕的微 小孔1 6尺寸為亞波長量級，本發明涉及的垂直腔面發射雷射
器波長為6 5 0 nm— 9 8 0 nm，微小孔1 6的直徑為5 0 nm 一 4 5 0 nm，形狀為單個圓形孔、方形孔或者異形孔，也可以 是具有 一 定周期性環形結構或者 一 系列微小孔1 6組成的陣 列結構，刻蝕微小孔1 6的深度和金屬膜1 5的厚度相同。單 個微小孔1 6的刻蝕時間一般為2 0 s— 6 0 s，以恰好打掉金 屬膜1 5為據。採用的是和步驟(2 )中相同的FIB系統，刻 蝕過程對金屬膜1 5的刻蝕速率有一定要求，可以通過調節刻 蝕時的離子束流密度、駐留時間，束斑重合距離，離子束流掃 描時間等工藝條件來做到精確控制，從而刻蝕後得到較好的表 面平整度。刻蝕時為了最大程度減輕刻蝕過程對出光腔面1 1 的損傷，採用了最小的離子束流密度，它是決定刻蝕速率的主 要因素。同時採用最大的重合距離，它是決定表面粗糙度的主 要因素。
權利要求
1. 一種微小孔垂直腔面發射雷射器的製備方法，其特徵 在於，包括以下步驟步驟l:取一普通垂直腔面發射雷射器，該雷射器包括， N面電極、出光腔面、出光孔、P面電極；步驟2:在普通垂直腔面發射雷射器的出光腔面上製備增 透膜；步驟3:利用聚焦離子束刻蝕技術刻蝕掉P面電極上的增 透膜；步驟4:在出光腔面上的增透膜上和P面電極上製備金屬膜；步驟5:在出光孔上刻蝕出亞波長尺寸的微小孔，完成微 小孔垂直腔面發射雷射器的製作。
2. 根據權利要求1所述的微小孔垂直腔面發射雷射器的 製備方法，其特徵在於，其中所述增透膜材料為Si02和SiJ^ 的混合物，或者是A1 2 0 3 、 MgF材料，厚度為2 0 0 nm— 4 0 0 nnu
3. 根據權利要求1所述的微小孔垂直腔面發射雷射器的 製備方法，其特徵在於，其中所述的增透膜為絕緣層，可以避 免在下一步中金屬和出光腔面直接接觸，從而保護出光腔面。
4. 根據權利要求1所述的微小孔垂直腔面發射雷射器的 製備方法，其特徵在於，其中所述的P面電極和N面電極為電 流注入通道。
5. 根據權利要求1所述的微小孔垂直腔面發射雷射器的 製備方法，其特徵在於，其中所述的金屬膜材料為Ti/Au、 Ti/Ag、 Ti/Al或者Ti/Ni，其中Ti的厚度為5 nm— 3 0 nm， Au、 Ag、 Al或者Ni層的厚度為6 0 nm— 4 0 0 nm。
6. 根據權利要求1所述的微小孔垂直腔面發射雷射器的 製備方法，其特徵在於，其中所述金屬膜中的Ti可以提高器 件表面的粘附性。
7. 根據權利要求1所述的微小孔垂直腔面發射雷射器的 製備方法，其特徵在於，其中所述金屬膜為高反射膜，可以阻 擋住普通垂直腔面發射雷射器正常的輸出光。
8. 根據權利要求1所述的微小孔垂直腔面發射雷射器的 製備方法，其特徵在於，其中所述在出光孔上刻蝕的微小孔尺 寸為亞波長量級，深度和金屬膜的厚度相同。
9. 根據權利要求1所述的微小孔垂直腔面發射雷射器的 製備方法，其特徵在於，其中所述聚焦離子束刻蝕時，採用最 小的離子束流密度和最大的重合距離。
全文摘要
一種微小孔垂直腔面發射雷射器的製備方法，包括以下步驟步驟1取一普通垂直腔面發射雷射器，該雷射器包括，N面電極、出光腔面、出光孔、P面電極；步驟2在普通垂直腔面發射雷射器的出光腔面上製備增透膜；步驟3利用聚焦離子束刻蝕技術刻蝕掉P面電極上的增透膜；步驟4在出光腔面上的增透膜上和P面電極上製備金屬膜；步驟5在出光孔上刻蝕出亞波長尺寸的微小孔，完成微小孔垂直腔面發射雷射器的製作。
文檔編號H01S5/00GK101145672SQ20061011293
公開日2008年3月19日 申請日期2006年9月13日 優先權日2006年9月13日
發明者宋國峰, 甘巧強, 陳良惠, 高建霞 申請人:中國科學院半導體研究所