CN102403654A - 垂直共振腔面射型激光元件及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种垂直共振腔面射型激光元件及其制作方法，该方法包含下列步骤：提供一基板；于该基板上形成一外延叠层，且该外延叠层包含有一高铝含量层；在该外延叠层上形成一离子注入屏蔽，该离子注入屏蔽具有一环状孔隙；通过该环状孔隙对该外延叠层进行离子注入，以于该高铝含量层的上方形成一环状离子注入区；在该离子注入屏蔽上形成一蚀刻屏蔽，藉以遮蔽该离子注入屏蔽的环状孔隙；通过该离子注入屏蔽及该蚀刻屏蔽对该外延叠层进行蚀刻，以形成一岛状平台；以及对该高铝含量层进行氧化以形成一环状氧化区。

Description

垂直共振腔面射型激光元件及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种激光元件，尤其涉及一种垂直共振腔面射型激光元件及其制作方法。
背景技术
垂直共振腔面射型激光(VCSEL)元件的主要特征在于可以大致上以垂直其芯片上表面的方式发出光线。VCSEL通常可通过化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)等沉积方法来形成具有多层结构的外延叠层，并通过常见的半导体工艺来加以制作。
外延叠层包含一为主要发光区的主动区(active region)，以及二分别位于该主动区的上下两侧的布拉格反射镜(DBR)堆栈层。该二布拉格反射镜堆栈层之间构成一激光共振腔，可供主动区产生的特定波长光线在其内来回反射以产生放大作用。为了获得较佳的光电特性，通常会在上侧的布拉格反射镜堆栈层内形成一电流局限孔径(current confinement aperture)，用以限制电流的流动路径，藉以降低临界电流并提升光电转换效率。
传统制作电流局限孔径的方法包括离子注入法以及选择性氧化法等方法，且这两种方法各有其有优缺点。如图1所示，一种已知的VCSEL，选择同时采用此两种方法，该VCSEL的外延叠层10中不但具有一离子注入局限区11，更具有一位在离子注入局限区11下方的氧化局限区12。离子注入局限区11与氧化局限区12两者分别具有一局限孔径110、120，且两个局限孔径110、120须在垂直方向对准，以便获得较佳的电流局限特性并具有较佳的光谱特性。
实际制作该VCSEL时，需利用半导体工艺在该外延叠层10中以不同步骤先后形成该离子注入局限区11以及该氧化局限区12。然而，受限于半导体工艺中不同层之间的叠对误差，离子注入局限区11的局限孔径110并无法准确地与氧化局限区12的局限孔径120对准，以致会有些微的偏移，此偏移会对电流局限特性造成影响，并使得光谱特性无法达到最佳化。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种垂直共振腔面射型激光元件及其制作方法，可有效地对准离子注入局限区的孔径与氧化局限区的孔径，以改善电流局限特性，并改善光谱特性。
为达上述目的，本发明的垂直共振腔面射型激光元件的制作方法，包含下列步骤：提供一基板；于该基板上形成一外延叠层，且该外延叠层包含有一高铝含量层；在该外延叠层上形成一离子注入屏蔽，该离子注入屏蔽具有一环状孔隙；通过该环状孔隙对该外延叠层进行离子注入，以于该高铝含量层的上方形成一环状离子注入区；在该离子注入屏蔽上形成一蚀刻屏蔽，藉以遮蔽该离子注入屏蔽的环状孔隙；通过该离子注入屏蔽及该蚀刻屏蔽对该外延叠层进行蚀刻，以形成一岛状平台；以及对该高铝含量层进行氧化以形成一环状氧化区。
以上述方法所制得的垂直共振腔面射型激光元件，包含形成于该基板上的外延叠层，且该外延叠层包含有一环状离子注入区，以及一位于离子注入区下方的环状氧化区，其中，该离子注入区具有一离子注入孔径，且该氧化区具有一氧化孔径，且该离子注入孔径的中心对齐该氧化孔径的中心。为达上述目的，本发明还提供一种垂直共振腔面射型激光元件，包含：一基板；以及一外延叠层，形成于该基板上，该外延叠层包含有一环状离子注入区，以及一位于离子注入区下方的环状氧化区，其中，该离子注入区具有一离子注入孔径，且该氧化区具有一氧化孔径，且该离子注入孔径的中心对齐该氧化孔径的中心。
本发明提供的垂直共振腔面射型激光元件及其制作方法，可有效地对准离子注入局限区的孔径与氧化局限区的孔径，以改善电流局限特性，并改善光谱特性。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为传统的垂直共振腔面射型激光元件；
图2为本发明垂直共振腔面射型激光元件的侧视示意图；
图3为本发明垂直共振腔面射型激光元件的俯视示意图；
图4为本发明垂直共振腔面射型激光元件的侧视示意图；
图5为本发明垂直共振腔面射型激光元件的侧视示意图；
图6为本发明垂直共振腔面射型激光元件的俯视示意图；
图7为本发明垂直共振腔面射型激光元件的俯视示意图；
图8为本发明垂直共振腔面射型激光元件的侧视示意图；
图9为本发明垂直共振腔面射型激光元件的侧视示意图；以及
图10为本发明垂直共振腔面射型激光元件的侧视示意图。
其中，附图标记
基板21                 外延叠层22
第一布拉格反射镜221    第一分隔层222
主动层223              第二分隔层224
第二布拉格反射镜225    离子注入屏蔽23
圆形部231              圆环部232
环状孔隙233            环状离子注入区24
离子注入孔径241        蚀刻屏蔽25
岛状平台26             侧面261
氧化区27               氧化孔径271
第一电极28             第二电极29
具体实施方式
有关本发明的技术内容、详细说明，以及功效，现配合附图说明如下：.
本发明的垂直共振腔面射型激光元件的制作方法，首先，如图2所示，提供一基板21，并于该基板21上形成一外延叠层22，该外延叠层22可以AlGaAs/GaAs系统的化合物半导体为基础，但不以此限，实际实施时也可为AlN/GaN/InGaN等材料系统，并可依所需的激光的光色来决定。其光色不限，可为红外光、可见光或紫外光等。详细说明其结构，该外延叠层22由下而上依序包含形成在该基板21上的一第一布拉格反射镜221、一第一分隔层222、一主动层223、一第二分隔层224，以及一第二布拉格反射镜225。该第一布拉格反射镜221及第二布拉格反射镜225分别具有多层的堆栈膜层，藉以反射光线。该主动层223也具有多层的堆栈膜层。并且，第二布拉格反射镜225的堆栈膜层中具有一高铝含量层(图未示)。
接着，在该外延叠层22上以半导体工艺形成一离子注入屏蔽23。该离子注入屏蔽23为氮化硅薄膜经由微影及蚀刻工艺所制成，实际实施时，其材质不以此限。如图3所示，该离子注入屏蔽23包含在该外延叠层22上形成的一圆形部231，以及一环绕该圆形部231且与该圆形部231同心的圆环部232，且该圆形部231及该圆环部232之间界定出一环状孔隙233。
然后，如图4所示，通过该离子注入屏蔽23的环状孔隙233对该外延叠层22进行离子注入，以于该第二布拉格反射镜225内形成一环状离子注入区24。此环状的离子注入区24具有一离子注入孔径241，此离子注入孔径241的中心是对齐该离子注入屏蔽23的中心。
接着，如图5所示，利用半导体工艺在该离子注入屏蔽23上形成一蚀刻屏蔽25，藉以遮蔽该离子注入屏蔽23的环状孔隙233。该蚀刻屏蔽25为氮化硅薄膜经由微影及蚀刻工艺所制成，实际实施时，其材质不以此限。如图6所示，该蚀刻屏蔽25为圆形，其可配合遮蔽该离子注入屏蔽23的环状孔隙233，以保护其下方的环状离子注入区24。在实际制作上，需注意要使该蚀刻屏蔽25的边缘完全地落在该离子注入屏蔽23的圆环部232上，以至少能完整涵盖该圆形部231以及该环状孔隙233，且不可超出该圆环部232之外。
圆环部232的宽度W是考虑所使用的半导体工艺设备所能达到的最小叠对误差。如图7所示，当半导体工艺设备的叠对误差导致蚀刻屏蔽25的中心与该离子注入屏蔽23的中心无法对齐时，该蚀刻屏蔽25的边缘仍可完全地落在该离子注入屏蔽23的圆环部232上，也就是说，通过控制该圆环部232的宽度W，来吸收半导体工艺设备的叠对误差。因此，若实际所使用的半导体工艺设备的最小叠对误差较大时，可考虑加宽该圆环部232的宽度W，以使该蚀刻屏蔽25的边缘落在该离子注入屏蔽23的圆环部232上。
然后，如图8所示，通过该离子注入屏蔽23及蚀刻屏蔽25对该外延叠层22进行蚀刻，并向下蚀刻至该第一布拉格反射镜221，以形成一岛状平台26。由于该蚀刻屏蔽25的边缘完全地落在该离子注入屏蔽23的圆环部232上，所以蚀刻出来的岛状平台26的边缘真正是由圆环部232的边缘所控制，也就是说，岛状平台26的边缘对齐于该离子注入屏蔽23的边缘，并且，岛状平台26的中心实际上已对齐于该离子注入屏蔽23的中心，也更对齐该离子注入孔径241的中心。
接着，如图9所示，对该第二布拉格反射镜225的高铝含量层进行氧化，以形成一位在该离子注入区24与该主动区223之间的环状氧化区27，且此氧化区27具有一氧化孔径271。由于氧化是由岛状平台26的侧面261均匀地向内进行，因此所形成的氧化孔径271的中心会对齐于岛状平台26的中心，也对齐该离子注入孔径241的中心。藉此，可降低氧化区27的元件光场局限(indexguiding)效应，并集中电流提高电流局限(gain guiding)效应，以改善光谱特性。此外，需注意的是，该离子注入孔径241的尺寸必须接近或小于氧化孔径271的尺寸时，才会由电流局限效应主导发光模态，且使其发光频谱的分布较窄。具体来说，离子注入孔径241与氧化孔径271的直径差异须在+/-2um内时，电流局限效应最佳。
最后，去除该离子注入屏蔽23以及该蚀刻屏蔽25。并且，如图10所示，利用金属薄膜沉积工艺，在该第二布拉格反射镜225上形成一第一电极28，并在该第一布拉格反射镜221上形成依第二电极29，即完成本发明垂直共振腔面射型激光元件的制作。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种垂直共振腔面射型激光元件的制作方法，其特征在于，包含下列步骤：
(A)提供一基板；
(B)于该基板上形成一外延叠层，且该外延叠层包含有一高铝含量层；
(C)在该外延叠层上形成一离子注入屏蔽，该离子注入屏蔽具有一环状孔隙；
(D)通过该环状孔隙对该外延叠层进行离子注入，以于该高铝含量层的上方形成一环状离子注入区；
(E)在该离子注入屏蔽上形成一蚀刻屏蔽，藉以遮蔽该离子注入屏蔽的环状孔隙；
(F)通过该离子注入屏蔽及该蚀刻屏蔽对该外延叠层进行蚀刻，以形成一岛状平台；以及
(G)对该高铝含量层进行氧化以形成一环状氧化区。
2.根据权利要求1所述的垂直共振腔面射型激光元件的制作方法，其特征在于，形成该外延叠层包含形成一第一布拉格反射镜、一第二布拉格反射镜，以及一位在该第一布拉格反射镜与第二布拉格反射镜之间的主动区。
3.根据权利要求2所述的垂直共振腔面射型激光元件的制作方法，其特征在于，该高铝含量层属于该第二布拉格反射镜。
4.根据权利要求1所述的垂直共振腔面射型激光元件的制作方法，其特征在于，形成该离子注入屏蔽包含在该外延叠层上形成一圆形部以及一环绕该圆形部且与该圆形部同心的圆环部，且该圆形部及该圆环部之间界定出该环状孔隙。
5.根据权利要求4所述的垂直共振腔面射型激光元件的制作方法，其特征在于，使该蚀刻屏蔽至少完整涵盖该圆形部以及该环状孔隙，且不可超出该圆环部之外。
6.一种垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，包含：
一基板；以及
一外延叠层，形成于该基板上，该外延叠层包含有一环状离子注入区，以及一位于离子注入区下方的环状氧化区，
其中，该离子注入区具有一离子注入孔径，且该氧化区具有一氧化孔径，且该离子注入孔径的中心对齐该氧化孔径的中心。
7.根据权利要求6所述的垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，该外延叠层包含形成一第一布拉格反射镜、一第二布拉格反射镜，以及一位在该第一布拉格反射镜与第二布拉格反射镜之间的主动区。
8.根据权利要求6所述的垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，该离子注入孔径的尺寸接近或小于该氧化孔径的尺寸。
9.根据权利要求8所述的垂直共振腔面射型激光元件，其特征在于，该离子注入孔径与该氧化孔径的直径差异在+/-2um内。
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