CN101667715B

CN101667715B - 一种单模高功率垂直腔面发射激光器及其制作方法

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Publication number: CN101667715B
Application number: CN2008101195815A
Authority: CN
Inventors: 渠红伟; 郑婉华; 刘安金; 王科; 张冶金; 彭红玲; 陈良惠
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2028-09-03
Also published as: CN101667715A

Abstract

本发明是一种单模高功率垂直腔面发射激光器，属半导体光电子领域。其特征在于，包括P型电极(1)，P型Si衬底(2)，金属键合层(3)，P型分布布拉格反射镜(DBR)(4)，氧化限制层(5)，有源区(6)，N型DBR(7)，SiO₂掩膜(8)，聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB)(9)，N电极(10)，光子晶体(11)，出光窗口(12)。在该结构的垂直腔面发射激光器中引入光子晶体，可增大氧化孔径，提高单模输出功率，同时采用键合技术将传统VCSEL外延片转移到Si衬底上和采用底部出光的设计，便于拉近VCSEL外延片有源区与Si衬底的距离，改善器件热学特性，进一步提高单模输出功率。

Description

一种单模高功率垂直腔面发射激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器技术领域，特别是单模高功率的垂直腔面发射激光器的结构及制作方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(VCSEL)以单色性好、发散角小、单纵模激射、低阈值电流、高调制带宽、易与光纤耦合、易于高密度集成、“在片”检测和低成本等优势，广泛应用于激光打印，光存储，密度光存储和读出，自由空间光互连以及单模光纤中数据高速传输等等。但在这些实际应用中，多要求VCSEL处于具有稳定的基横模工作特性，特别是高输出功率的基横模工作。传统的制备单模VCSEL的方法是减小其VCSEL的氧化孔径，实质上是为了减少有源物质的工作区域，增加高阶模式损耗，由于受限于发光的孔径和微分电阻，单模VCSEL特性一直难以提升。

为了获得单模高功率VCSEL，人们采用离子注入和氧化限制相结合、表面刻蚀，三角形空洞，外腔结构、等多种不同的方法，但这些方法得到的都是夹杂有高阶模式的变形的基模，高阶模式的散射损耗不可避免。一个有潜力使VCSEL实现高速、大功率单模输出的方法是在VCSEL中引入光子晶体，来限制横向光场分布，使之只支持单模运转。与其他方法相比，光子晶体波导结构的VCSEL具有设计简单、可重复性好、低阈值电流、高输出功率等潜在的优势。

目前，对于光子晶体VCSEL的研究备受关注，引起了各国科研人员的强烈兴趣，早在2002年韩国先进技术研究院Song等人率先报道了光子晶体VCSEL的器件模拟和实验结果。周期5μm单缺陷腔10μm孔径，边模抑制比高达35～40dB的单模输出，但输出功率很低，小于1mW。

2003年Yokouchi小组在理论上进一步发展了光子晶体VCSEL的模型，找到了三维刻蚀深度对单模条件的影响，引入深度因子，同年制作了7孔缺陷的室温CW的光子晶体VCSEL。

2004年A.J.Danner小组提出了光子晶体VCSEL设计空间，完善理论模型；同年采用耦合腔的设计，将功率提高到2.0mW。

2005年A.J.Danner小组通过优化光子晶体VCSEL氧化孔径，获得单模功率3.1mW。

2006年A.J.Danner通过比较1652支不同结构单管，实验上验证了设计空间的概念。

2006年Alight Technologies将光子晶体结构应用到长波长VCSEL中，在20℃时单模输出功率近似达到3mW，在90℃时仍发射出1.4mW的单模功率，70℃时，激光器在整个电流范围内仍具有大于30dB的超高边模抑制比。

但是，到目前为止，现有光子晶体VCSEL的输出功率并不高，国际光子晶体VCSEL最大输出功率仅为3.1mW。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高功率单模垂直腔面发射激光器的结构和制作方法，改善传统垂直腔面发射激光器单模输出功率低的缺点。

本发明涉及一种单模高功率垂直腔面发射激光器的结构，在这种结构中引入光子晶体，可增大氧化孔径，提高单模输出功率；同时采用键合技术将传统VCSEL外延片转移到Si衬底和采用底部出光的设计，便于拉近VCSEL外延片有源区与Si衬底的距离，改善器件热学特性，进一步提高单模输出功率。所述激光器包括P型电极1，P型Si衬底2，P型电极1制作在Si衬底2的背面，金属键合层3，通过金属键合层将Si衬底2和P型分布布拉格反射镜(DBR)4键合在一起，P型分布布拉格反射镜(DBR)4，与能够提供增益的有源区6连在一起，用于提供高的反射率，同时形成电流注入通道，P型DBR4在靠近有源区的包含一层高铝组分氧化限制层5，用于形成电光限制，有源区6三明治式夹杂P型DBR4和N型DBR7之间，用于提供光增益，N型DBR7用于提供高的反射率，同时形成电流注入通道，SiO2掩膜8，用于聚酰亚胺或苯并环丁烯(BCB)9，制作在SiO2上面，起到垫高台面的目的，N电极10，做在N型DBR7上面，光子晶体11，做在N型DBR上出光窗口的外围，刻蚀深度在10—15对DBR层，出光窗口12，位于N型DBR的中心位置。

本发明还涉及一种单模高功率垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、在VCSEL外延片表面和P型Si片表面分别溅射金属层，该金属层可以是TiAuSnAu、TiAu等材料，溅射温度200℃左右，厚度在

步骤二、通过低温金属键合技术将VCSEL外延片与P型Si衬底2键合在一起，金属键合在一定温度和压力的键合设备中完成，键合温度250—400℃，键合压力0.1—1.5Mpa范围。

步骤三、减薄GaAs衬底14的一侧，再采用化学湿法腐蚀的方法先后去除GaAs衬底14和相应的腐蚀停止层13，GaAs衬底去除的腐蚀液采用体积比NH4OH:H₂O₂(1：20)，腐蚀停止层的去除采用体积比HCL:H₂O(2：1)；

步骤四、光刻湿法腐蚀出圆柱形台面，暴露出氧化限制层5；

步骤五、进行侧向湿法氧化，形成电、光限制，湿法氧化的条件：氮气N₂(1—2L/min)携带水汽(80—95℃)进入400—450℃氧化炉中，氧化孔径控制在10～20μm左右；

步骤六、PECVD淀积SiO₂8，SiO₂是厚度

步骤七、用聚酰亚胺固化台面9，其中聚酰亚胺的厚度小于3μm。

步骤八、光刻腐蚀出光孔里的SiO₂，采用HF:NH4F:H₂O(3ml:6g:10ml)腐试液，腐试30-40秒；

步骤九、光刻、蒸发N型电极，N型电极材料可为AuGeNi/Au，厚度左右，剥离N型电极。

步骤十、电子束光刻曝光，ICP刻蚀出光子晶体11，光子晶体11做在N型DBR上出光窗口的外圈，刻蚀深度在10—15对DBR层；

步骤十一、Si衬底减薄100μm左右，制备P型电极，溅射温度200℃，TiAu

，最后合金，合金温度430—450℃，合金时间30—50秒。

本发明提出基于晶片键合及光子晶体波导结构的单模高功率VCSEL可以提高单模VCSEL的输出功率。这种结构中引入光子晶体，可增大氧化孔径，提高单模输出功率；同时采用键合技术将传统VCSEL外延片转移到Si衬底和采用底部出光的设计，便于拉近VCSEL外延片有源区与Si衬底的距离，改善器件热学特性，进一步提高单模输出功率。

附图说明

图1是基于晶片键合和光子晶体波导结构的VCSEL的示意图；

图2是单模高功率VCSEL制备工艺流程图；

图3是N型DBR湿法腐蚀后的显微镜图；

图4是湿法氧化后的显微镜图；

图5是聚酰亚胺固化台面后的显微镜图；

图6是电子束曝光后的图片；

图7是ICP刻蚀光子晶体后图片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1：P型电极1为TiAu，P型电极1制作在Si衬底2的背面，P型Si衬底2，金属键合层3为TiAu/Sn/AuTi，通过金属键合层3将Si衬底2和P型分布布拉格反射镜(DBR)4键合在一起，P型分布布拉格反射镜(DBR)4，28个周期调制掺杂且组分渐变的Ga0.1Al0.9As/Al0.9Ga0.1As材料交替组成，与能够提供增益的有源区6连在一起，用于提供高的反射率，同时形成电流注入通道，P型DBR4在靠近有源区的包含一层高铝组分氧化限制层5，用于形成电光限制，有源区6三明治式夹杂P型DBR4和N型DBR7之间，用于提供光增益，有源区6由3个AlInGaAs量子阱组成，有源区厚度为1λ，λ为激射波长，N型DBR7由22个周期调制掺杂且组分渐变Al0.9Ga0.1As/Ga0.1Al0.9As材料交替制成，N型DBR7用于提供高的反射率，同时形成电流注入通道，绝缘层8采用SiO₂材料制成，聚酰亚胺9采用光敏感性ZKPI-520I，做在SiO₂上面，起到垫高台面的目的，N型电极10AuGeNi/Au，做在N型DBR7上面，光子晶体11，做在N型DBR上出光窗口的外围，采用电子束曝光和ICP刻蚀制备得到，刻蚀深度在10—15对DBR层，出光窗口12，位于N型DBR的中心位置。

本发明在工艺方面，采用清洗、蒸发电极、金属键合、衬底减薄、衬底腐蚀去除、湿法腐蚀台面、湿法氧化、生长绝缘膜、光刻、套刻、光子束曝光、ICP刻蚀、电极蒸发、带胶剥离，衬底减薄、合金、解理、压焊、封装等工艺制备垂直腔面发射激光器。该方法包括如下步骤：

1)采用金属有机化学气相沉积方法在N型GaAs衬底14依次先后生长腐蚀停层AlAs或GaInP13，22个周期调制掺杂且组分渐变Al_0.9Ga_0.1As/Ga_0.1Al_0.9As N型DBR7，1λ腔长厚的AlGaInAs量子阱有源区6，量子阱增益峰值波长840nm，30个周期组分渐变Al_0.9Ga_0.1As/Ga_0.1Al_0.9AsP型DBR4，P型DBR4中靠近有源区附近包含高铝组分氧化限制层5为Al_0.98Ga_0.02As。

2)P型Si衬底和VCSEL外延片表面分别溅射TiAuSnAu金属层，见图2(a)所示。

3)通过金属键合技术将表面溅射有金属的VCSEL外延片与P型Si片键合在一起，如图2(b)。

4)减薄GaAs衬底14一侧，减薄少至50-60μm，再采用化学湿法腐蚀的方法去除GaAs衬底14和相应的腐蚀停止层13，再采用化学腐蚀的方法去除GaAs衬底14和相应的腐蚀停止层13，GaAs衬底去除的腐蚀液采用体积比NH4OH:H₂O₂(1:20)，腐蚀停止层的去除采用体积比HCL:H₂O(2：1)腐蚀液，如图2(c)。

5)通过标准光刻掩膜技术，形成圆柱形台面图形，用光刻胶做掩膜进行湿法化学腐蚀N型DBR7，有源区6，部分P型DBR4，直至暴露出Al_0.98Ga_0.02As氧化限制层5的侧壁。

6)通过湿法氧化工艺将暴露出侧壁Al_0.98Ga_0.02As层5，氮气N₂携带水汽进入氧化炉中，侧向氧化，形成电、光限制孔径，氧化孔径控制在10～20μm左右。湿法氧化工艺条件：氮气N₂流量1L/min，水浴温度95℃，氧化炉温度430℃，氧化时间30-50分钟。

7)PECVD高温300℃淀积绝缘层SiO₂8。

8)采用光敏感性ZKPI-520I聚酰亚胺9，通过标准光刻、曝光显影掉台面上聚酰亚胺，然后设定不同的温度对聚酰亚胺固化，垫高台面，防止电极断路。

9)用标准套刻工艺形成上电极图形，以光刻胶作掩膜腐蚀掉SiO₂8。腐蚀掉出光孔中的SiO₂，采用HF:NH₄F:H₂O(3ml:6g:10ml)腐试液，腐试30-40秒；

10)通过标准光刻掩膜技术，带胶蒸发下N型电极AuGeNi/Au，带胶剥离形成下N型电极10。

11)通过电子束光刻曝光技术，并采用ICP刻蚀技术在出光窗口外圈刻蚀出光子晶体11，刻蚀深度1.2-1.5μm。

12)减薄背面Si衬底，溅射P型电极12TiAu，然后合金，合金条件，在合金炉内430—450℃，45秒，整个工艺制备完成后的示意图见图2(d)。

实施例2：980nm波长的单模高功率VCSEL，中间多量子阱有源区7采用InGaAs/GaAs材料，N型DBR7和P型DBR4分别采用调制掺杂且组分渐变GaAs/Al_0.9Ga_0.1As，其它部件与实施例1相同。

实施例3：1310nm波长的单模高功率VCSEL，中间多量子阱有源区6，采用GaInNAs/GaAs，或量子点材料，N型DBR7和P型DBR4分别采用调制掺杂且组分渐变GaAs/Al_0.9Ga_0.1As材料，其它部分与实施例1相同。

以上所述，仅是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的权利要求保护范围内。

Claims

1.一种单模高功率垂直腔面发射激光器，其特征在于，包括：

一P型电极(1)，该电极(1)制作在Si衬底(2)的下面，电极材料为TiAu或TiPtAu

一Si衬底(2)，采用P型Si衬底；

一金属键合层(3)，通过金属键合的方法将VCSEL外延层从GaAs衬底转移到P型Si衬底；

一P型DBR(4)，用于反射激光腔内的光来形成激光振荡，组成DBR的每对材料为调制掺杂且组分渐变的AlGaAs材料，提供低电阻和高反射率；

一氧化限制层(5)，通过对该层湿法氧化形成电、光限制；

一有源区(6)，该有源区材料是InGaAs、AlGaInAs、InGaNAs量子阱材料或者InGaAs/InAlAs量子点材料，有源区厚度为1λ，λ为激射波长用于产生光增益；

一N型DBR(7)，用于反射激光腔内的光来形成激光振荡，DBR的每对材料为调制掺杂且组分渐变的AlGaAs或突变的AlGaAs材料，提供低电阻和高反射率；

一SiO₂掩膜(8)，采用等离子增强型化学汽相淀积(PECVD)方法淀积，起到绝缘层的作用；

一聚酰亚胺(9)，用于通过聚酰亚胺固化台面技术，垫高台面，防止电极断路；

一N型电极(10)，电极材料为AuGeNi/Au；

一光子晶体(11)，用于改善VCSEL模式特性，通过电子束曝光和ICP刻蚀的方法制备得到；以及

一出光窗口(12)。

2.根据权利要求1所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述金属键合为低温键合。

3.根据权利要求1所述的单模高功率垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述Si衬底为高热导率衬底。

4.根据权利要求1所述的单模高功率垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述出光窗口制作在N型DBR上，采用底部出光的方式。

5.一种单模高功率VCSEL的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、在VCSEL外延片表面和P型Si片表面溅射金属层；

步骤二、通过低温金属键合技术将VCSEL外延片与P型Si衬底键合在一起；

步骤三、减薄GaAs衬底(14)的一侧，腐蚀去除GaAs衬底和腐蚀停止层(13)；

步骤四、光刻湿法腐蚀出台面，暴露出氧化限制层；

步骤五、进行侧向湿法氧化，形成电、光限制；

步骤六、PECVD淀积SiO₂

步骤七、用聚酰亚胺固化台面；

步骤八、光刻腐蚀出光孔里的SiO₂；

步骤九、蒸发N型电极，光刻剥离AuGeNi/Au；

步骤十、电子束光刻曝光，感应耦合等离子体(ICP)刻蚀出光子晶体波导；

步骤十一、Si衬底减薄，制备P型电极，合金。

6.根据权利要求5所述的单模高功率垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述聚酰亚胺的厚度小于3μm。