垂直腔面發射雷射器及其製作方法
2023-10-17 03:39:49
專利名稱：垂直腔面發射雷射器及其製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體光電子學技術領域，具體涉及ー種垂直腔面發射雷射器及其製作方法。
背景技術：
垂直腔面發射雷射器的高功率、單縱模、輸出圓形光斑、長壽命還有易於ニ維集成等特點，使得高功率垂直腔面發射雷射器的商業應用越來越廣泛，尤其在電信領域、雷射顯示領域、雷射點火、泵浦原和雷射加工等等。經過全世界幾十年堅持不懈的努力，VCSEL的市場正在變的越來越大。大功率垂直腔面發射雷射器的高的閾值電流，低的光電轉換效率
等缺點已經的到很好的改善。長期以來，垂直腔面發射半導體雷射器(VCSEL) —直處於低功率水平，使這種器件的應用受到極大的制約。直到最近幾年VCSEL材料生長與製備技術的發展才使其功率水平開始得到大幅度的提高，從而為VCSEL雷射器的應用發展開闢了廣闊的前景。然而，隨著VCSEL雷射功率不斷得到提高，其雷射模式問題的解決則變得日益迫切和重要，因為到目前為止VCSEL雷射功率的提高不僅沒有改善雷射模式，而且在獲取基模上產生不利的影響。這同樣制約了 VCSEL雷射器在很多重要應用領域發揮作用。因此，在解決VCSEL雷射器功率問題的同時必須解決其光學模式問題才能夠發展真正適合於應用的優質VCSEL雷射器，這是目前國內外半導體雷射領域面臨的ー個重要的課題。而本項目正是為了解決大功率VCSEL雷射器的單橫模單偏振問題這一國際性前沿課題首次提出一種新的研究思路和方法，我們期望通過本項目的工作能夠掲示VCSEL雷射器單橫模單偏振形成的物理機制，在實現高功率VCSEL雷射器上取得突破性進展。這對於發展VCSEL雷射器的應用，特別是在解決空間探測技術中的微型載荷雷射測距、空間通信、目標識別與跟蹤制導等應用所需要的優質微型雷射器方面具有重要的意義。自從側氧化限制結構的出現，器件的閾值電流、調製速度、和光電轉換效率得到很大的改善。似乎這種結構表現的近乎完美了，但是這種結構也存在自身無法消除的缺陷，那就是在側氧化之後絕緣層的邊緣的電流密度會比中心區域高的現象。無法消除光模式的增益重疊的現象，即使電流在氧化限制層完美均勻注入，大部分電流也會集中在氧化限制層邊界上，主要是因為面積是半徑的平方的關係。因此光模式在中心達到最大，這樣的結果就會導致孔徑10 及以上的器件的閾值電流的増大、效率的降低還有空間燒孔變的更嚴重。即使孔徑縮小到3 左右的單模尺寸，増益重疊可以得到改善但這種缺陷仍然不能消除，載流子在小孔徑外的幾微米範圍內擴散從而增加了閾值電流和寄生電容從而光的散射也相應的被擴大。
發明內容
本發明針對現有技術中的垂直腔面發射雷射器具有偏振開關效應的缺點，提出一種無需側氧化無需腐蝕臺面，可以解決光模式的増益重疊缺陷並能強制電流線性注入的，垂直腔面發射雷射器及其製作方法。
為實現上述目的，本發明的垂直腔面發射雷射器及其製作方法的技術方案具體如下ー種垂直腔面發射雷射器，由上至下依次為襯底、緩衝層、N型分布布拉格反射鏡組、有源區、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層；所述氧化限制層內的載流子注入孔徑的形狀為透光區和不透光區間隔排列的光柵條紋形狀。上述技術方案中，所述載流子注入孔徑的光柵條紋寬度為0. 5-1. 5 ym。上述技術方案中，所述有源區包括空間層和激活區。上述技術方案中，所述氧化限制層為AlAs層。
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上述技術方案中，所述有源區、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層的外側，均設有厚度為100 250nm的AlN鈍化層。上述技術方案中所述的垂直腔面發射雷射器的製作方法，該垂直腔面發射雷射器的氧化限制層的形成包括以下步驟步驟i :通過光刻成形出氧化限制層；步驟ii :在所述氧化限制層上方生長ニ氧化矽薄膜，然後將其光刻為光柵條紋形狀；步驟iii :對所述氧化限制層進行氧化，形成光柵條紋形狀的載流子注入孔徑；步驟iv :去除掉步驟ii中形成的所述ニ氧化娃薄膜。上述技術方案中，所述步驟iii中對所述圓形氧化限制層進行氧化的氧化深度為所述氧化限制層的厚度。上述技術方案中，所述步驟ii中，在所述圓形氧化限制層上方生長ニ氧化矽薄膜的厚度為50 250nm。本發明的垂直腔面發射雷射器及其製作方法的有益效果是本發明的垂直腔面發射雷射器及其製作方法，通過改變傳統的環形的氧化限制層結構，把圓形的氧化層氧化成光柵條紋形狀，能強制電流注入到有源區的方式，達到電流的非均勻注入，進而實現兩個相互正交的偏振光的偏振控制。這種電流注入的方式可以有效的消除各向同性電流注入帶來的兩個正交偏振光的因模式競爭而出現的偏振開關效應。本發明的垂直腔面發射雷射器，無需側氧化，無需腐蝕臺面，只需在P面製作小電扱。另外，本發明的垂直腔面發射雷射器結構製造エ藝簡捷、重複性好，容易推廣。
圖I為本發明垂直腔面發射雷射器ー種具體實施方式
的結構示意圖。圖2為現有技術中的VCSEL有源區上的電流密度分布曲線示意圖。圖3為本發明的VCSEL有源區上的電流密度分布曲線示意圖。圖中的附圖標記表示為I-N面電極；2-襯底；3_緩衝層；4_N型分布布拉格反射鏡組；5_氧化限制層；61、62-空間層；7_激活區；8_鈍化層；9-P型分布布拉格反射鏡組；10_歐姆接觸層；11_P面電扱。
具體實施例方式本發明的垂直腔面發射雷射器及其製作方法的發明思想為本發明的垂直腔面發射雷射器，由上至下依次為襯底、緩衝層、N型分布布拉格反射鏡組、有源區、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層；所述氧化限制層內的載流子注入孔徑的形狀為透光區和不透光區間隔排列的光柵條紋形狀。本發明的垂直腔面發射雷射器的製作方法，該垂直腔面發射雷射器的氧化限制層的形成包括以下步驟步驟i :通過光刻成形出氧化限制層；步驟ii :在所述氧化限制層上方生長ニ氧化矽薄膜，然後將其光刻為光柵條紋形狀；步驟iii :對所述氧化限制層進行氧化，形成光柵條紋形狀的載流子注入孔徑；步驟iv :去除掉步驟ii中形成的所述ニ氧化娃薄膜。由上述內容可知，本發明的垂直腔面發射雷射器及其製作方法，通過改變傳統的環形的氧化限制層結構，把圓形的氧化層氧化成光柵條紋形狀，能強制電流注入到有源區的方式，達到電流的非均勻注入，進而實現兩個相互正交的偏振光的偏振控制。這種電流注入的方式可以有效的消除各向同性電流注入帶來的兩個正交偏振光的因模式競爭而出現的偏振開關效應。本發明的垂直腔面發射雷射器，無需側氧化，無需腐蝕臺面，只需在P面製作小電極。另外，本發明的垂直腔面發射雷射器結構製造エ藝簡捷、重複性好，容易推廣。以下結合附圖對本發明的垂直腔面發射雷射器及其製作方法的具體實施方式
作進ー步的詳細描述。圖I顯示了本發明的垂直腔面發射雷射器及其製作方法的ー種具體實施方式
。本發明的垂直腔面發射雷射器的器件結構主體VCSEL部分是由MOCVD —次生長而成，具體結構由上至下分別為N面電極I、襯底2、緩衝層3、N型分布布拉格反射鏡組4、有源區(包括空間層61、激活區7和空間層62)、氧化限制層5、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層9、歐姆接觸層10和P面電極11。其中，所述氧化限制層5內的載流子注入孔徑的形狀為透光區和不透光區間隔排列的光柵條紋形狀，光柵條紋寬度為0. 5-1. 5 u m0本發明的垂直腔面發射雷射器的製作方法包括以下步驟I.外延片清洗在VCSELsエ藝過程中，外延片的清洗過程是VCSELs器件製作中最簡單但同時也是最重要的環節，它隨著器件製作エ藝的各個步驟。清洗時需要特別注意的是不能對外延片表面結構造成損傷，儘量避免出現很深的劃痕，否則後期會很難處理，清洗完的晶片表面應該光亮、平滑、無雜質汙染。經過多次重複實驗研究，我們總結出ー套高效的外延片的清洗方法，光刻之前採用了水浴清洗，擦拭，在生長光學膜和金屬電極之前採用酸、鹼稀溶液去除表面氧化物薄膜等。實驗室中我們通常使用的試劑有四氯化碳，三氯こ烯，丙酮，こ醇，烯鹽酸，氨水等等。2. 一次外延表面生長ニ氧化娃,生長ニ氧化娃的厚度為50 250nm,太厚了容易在加熱的過程中發生斷裂，太薄了則在氧化限制層的氧化過程中容易發生水蒸氣通過ニ氧化矽洩漏到神化鋁表面對結果容易造成不良的後果。3.用反應離子束刻蝕將ニ氧化矽刻蝕成周期為0. 5 I. 5微米(ii m)的光柵，刻蝕深度為完全貫穿。4.在精密氧化爐中斤進行氧化光柵，氧化深度和側氧化深度為砷化鋁的厚度，一定不要超過神化鋁厚度太多，以防載流子注入效率太低，影響出光功率。5.腐蝕掉ニ氧化矽，在實驗中我們發現氟化氫對砷化鋁也有腐蝕作用，因此我們在腐蝕ニ氧化矽的時候要儘量把腐蝕液的配比降低，低濃度的腐蝕液對神化鋁的腐蝕效果會降低。6. 二次外延，仔細清洗表面後進行二次外延材料生長，繼續生長P_DBRs(P型分布布拉格反射鏡組9)和蓋層。7.減薄採用機械減薄的方法，第一次把外延片減薄到350 450 U m,以便於後面的光刻，顯影，烘烤，減薄過程中要避免對外延片表面的劃傷，若是出現很深的劃痕，難以去除，會影響器件的性能。我們採用UNIP0L-802型精密研磨拋光機，使用白剛玉粉，在減薄
過程中要反覆調整拋光機的平整度，這樣有利於外延片的平整性和一致性，經過減薄後的外延片平整度在± IOiim的範圍。8.光刻採用紫外接觸式曝光機，將光刻板上的圖形轉移到外延片上，第一次光刻時要充分利用外延片有結構的部分，將光刻板的圖形儘量多的刻到晶片上，光刻完後，得到清洗的圖案為最好，曝光過度或者曝光不足都會對後面的第二次光刻影響很大。9.溼法腐蝕臺面在光刻膠的保護下，使用冰醋酸，氫溴酸，重鉻酸鉀的混合溶液或者使用磷酸，雙氧水，水的混合溶液進行溼法刻蝕，刻蝕到正好剛露出高鋁層即可，以便進行溼法選擇性氧化。經過實驗發現第一種混合溶液腐蝕完的臺面會出現「甩尾」現象，不利於氧化層對器件的電流限制和光學限制，而第二種溶液腐蝕完的臺面呈現菱形臺面，這是由於選擇性腐蝕有關，對於小直徑單管尤為明顯。腐蝕完臺面的外延片要進行徹底的清洗，準備溼法氧化。10.大面積反應濺射AlN絕緣膜為了防止器件在焊接時短路，AlN的厚度關重要，控制生長厚度為100 250nm。當厚度較薄吋，容易存在針孔，焊接時會產生漏電流，如果AlN較厚時表面應カ較大，合金時表面的歐姆接觸電極易發生脫落。生長均勻緻密的AlN絕緣膜有利於器件提高器件的性能，延長器件的壽命。以前我們エ藝上都是採取Si02做鈍化絕緣層，可是由於Si02的熱導率太低，嚴重影響了 VCSEL的散熱性能，特別是高功率VCSEL的散熱性能，進而會使器件效率降低，功率減小，壽命縮短。11. 二次減薄拋光為了減少襯底對光的散射損耗，對外延片進行第二次減薄，厚度減到120 170 ym，然後使用ニ氧化矽懸浮液進行拋光，平滑光亮的表面能減少器件的表面散射損耗，有利於限制擴散溼法刻蝕製作微透鏡。12. N面製作電極在微透鏡的表面利用不同類型的光刻膠製備倒梯形，然後利用DM-450A型真空鍍膜機設備熱蒸發Ge-Au-Ni-Au，倒梯形的好壞直接會影響出光窗ロ的形狀，為了得到高質量的倒梯形，選擇合適的光刻膠至關重要，在光刻完之後將樣品放在烘箱中堅膜40分鐘，就是為了保持倒梯形的完整性。13.合金將製作完N面電極的外延片放在丙酮中剝離窗ロ的金層，使窗ロ露出，然後放到RTP-500快速熱處理裝置中在合金60秒。14.晶片解理封裝將晶片解理，採用P面倒封裝的方式焊接在無氧銅熱沉上。在N面電極上利用金絲球焊機弓I線，封裝到T0-3。
為了研究光柵所引入的電流注入的不均勻性而引起的電流分布的不均勻性，通過多物理場有限元分析軟體(comsol multiphysic)進行模擬分析電流密度分布。圖3為有源區上的電流密度分布曲線。圖2為現有技術中的沒有光柵結構的普通的VCSEL有源區上的電流密度分布曲線。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。·
權利要求
1.一種垂直腔面發射雷射器，由上至下依次為襯底、緩衝層、N型分布布拉格反射鏡組、有源區、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層；其特徵在於， 所述氧化限制層內的載流子注入孔徑的形狀為透光區和不透光區間隔排列的光柵條紋形狀。
2.根據權利要求I所述的垂直腔面發射雷射器，其特徵在於，所述載流子注入孔徑的光柵條紋寬度為O. 5-1. 5 μ m。
3.根據權利要求I或2所述的垂直腔面發射雷射器，其特徵在於，所述有源區包括空間層和激活區。
4.根據權利要求I或2所述的垂直腔面發射雷射器，其特徵在於，所述氧化限制層為AlAs 層。
5.根據權利要求I或2所述的垂直腔面發射雷射器，其特徵在於，所述有源區、氧化限制層、P型分布布拉格反射鏡組和歐姆接觸層的外側，均設有厚度為100 250nm的AlN鈍化層。
6.權利要求I所述的垂直腔面發射雷射器的製作方法，其特徵在於，該垂直腔面發射雷射器的氧化限制層的形成包括以下步驟 步驟i :通過光刻成形出氧化限制層； 步驟ii :在所述氧化限制層上方生長二氧化矽薄膜，然後將其光刻為光柵條紋形狀； 步驟iii :對所述氧化限制層進行氧化，形成光柵條紋形狀的載流子注入孔徑； 步驟iv :去除掉步驟ii中形成的所述二氧化娃薄膜。
7.根據權利要求6所述的製作方法，其特徵在於，所述步驟iii中對所述圓形氧化限制層進行氧化的氧化深度為所述氧化限制層的厚度。
8.根據權利要求6或7所述的製作方法，其特徵在於，所述步驟ii中，在所述圓形氧化限制層上方生長二氧化矽薄膜的厚度為50 250nm。
全文摘要
本發明涉及一種垂直腔面發射雷射器及其製作方法，垂直腔面發射雷射器包括n面電極、GaAs襯底、緩衝層、n型DBR層、氧化限制層、有源區、鈍化層、p型DBR層、歐姆接觸層。本發明的垂直腔面發射雷射器及其製作方法，通過把氧化限制層通過一定工藝來把圓形的氧化層氧化成光柵條紋形，以此來打破電流的各向同性注入，通過引入各向異性的電流注入到有源區來實現兩個相互正交的偏振光的偏振控制。另外，本發明的垂直腔面發射雷射器結構製造工藝簡捷、重複性好，容易推廣。
文檔編號H01S5/183GK102790354SQ20121027963
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者劉雲, 寧永強, 張祥偉, 王立軍, 秦莉 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所