CN104952968A - 一种vcsel激光器收发一体探测集成器件 - Google Patents
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Abstract
一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件，集成器件由VCSEL激光器和光电探测器组成，二者是利用半导体制造工艺的方法实现单片集成；其中一部分为VCSEL激光器，在电流驱动下可以达到发射所需探测激光的目的；另一部分为光电探测器，可以达到探测激光的目的；VCSEL激光器置于两个光电探测器之间；本发明可应用于微距离测量、生物探测、气体探测等方面，具有体积小，集成度高，功耗低，精确度较高等特点。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，涉及一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件。
背景技术
VCSEL是一种出光方向垂直于衬底的新型半导体激光器。VCSEL的基本结构有三部分组成：具有高反射率的上DBR(distributed Bragg reflector，分布式布拉格反射镜)，核心部分的有源区，以及具有更高反射率的下DBR。这三部分组成的谐振腔决定着激光的发射。VCSEL具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等有点，广泛应用于光通信、光互联、光存储等领域。
半导体光电探测器的原理是入射光的光子与半导体材料相互作用，产生电子空穴对和光生载流子，并对半导体材料的电学性能产生影响，进而达到光探测的目的。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。
由于目前大部分激光发射与探测使用的是分立器件装置，或者是混合集成器件，无法真正实现系统的小型化、集成化。所以我们提出一种将激光器与探测器单片集成的概念与方法，单片集成一体化可以提高集成度，减小器件的体积，性能也会更加稳定。该器件可应用于微距测量、生物探测、气体探测等方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件，使用半导体制造工艺实现激光器与探测器的单片集成，能够应用于微距测量、生物探测、气体探测等方面。
区别于其它分立器件、混合集成器件，本发明提出实现激光器与探测器单片集成一体化。
一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件，该器件包括VCSEL激光器、两个光电探测器；VCSEL激光器、两个光电探测器是利用半导体制造工艺的方法实现一次单片集成；所述VCSEL激光器置于两个光电探测器之间；
所述VCSEL激光器光源用于发射特定波长的激光；
所述两个光电探测器用于接收反射回的激光。
所述光电探测器包括底部P型金属电极(1)、P型GaAs衬底(2)、本征型GaAs探测器有源区(3)、N型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的下DBR(4)、下端N型金属电极(5)；
所述VCSEL激光器包括P型GaAs衬底(2)、本征型GaAs探测器有源区(3)、N型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的下DBR(4)、下端N型金属电极(5)、激光器量子阱有源区(6)、氧化限制层(7)、P型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的上DBR(8)、顶部P型金属电极(9)；
VCSEL激光器与两光电探测器之间设置有激光器与探测器隔离层(10)；
如图1所示，该器件从下到上依次为底部P型金属电极(1)、P型GaAs衬底(2)、本征型GaAs探测器有源区(3)、N型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的下DBR(4)、下端N型金属电极(5)、激光器量子阱有源区(6)、氧化限制层(7)、P型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的上DBR(8)、顶部P型金属电极(9)。
本发明还提供一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件的制备方法，包括：
采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)在p-GaAs上依次外延生长I-GaAs探测器有源区，四十对n-Al0.95Ga0.05As与n-Al0.25Ga0.75As构成DBR反射镜，四对Al0.11Ga0.89As/Al0.3Ga0.7As量子阱结构有源区，Al0.98Ga0.02As氧化限制层，二十六对p-Al0.95Ga0.05As与p-Al0.25Ga0.75As构成DBR反射镜；
利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法将上述得到的外延片暴露并形成薄膜图形上台面结构，露出N型下DBR；
利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法将露出N型下DBR的外延片暴露并形成薄膜图形下台面结构，露出P型GaAs衬底，激光器与探测器分离；
使用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)生长二氧化硅层，利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法去除台面上的二氧化硅，保留激光器与探测器之间凹槽中的二氧化硅，起到电隔离的作用；
利用光刻和剥离相结合的方法在已有隔离层的外延片上制作顶部及下端金属电极；
将外延片减薄，抛光，洗净，淀积金属电极。
探测器结构材料与VCSEL激光器结构材料是一次外延得到。
探测器有源区的外延材料能够对VCSEL激光器所发出的特定波长激光进行充分吸收和探测。
本发明所带来的有益效果如下：
VCSEL激光器与光电探测器通过半导体制造工艺方法实现单片集成，提高了器件的集成度，减小了器件的体积；由于探测激光的发射与接收是一体化的，排除了其它器件可能因连接问题所产生的误差，增强了器件的可靠度，降低了器件的功耗；同时一体化也可排除许多环境因素所带来的影响，使测量数据具有较高的精确度。
附图说明
图1：本发明的VCSEL激光器收发一体探测集成器件的截面结构示意图；
图2：VCSEL激光器收发一体探测集成器件光刻出的上台面示意图；
图3：VCSEL激光器收发一体探测集成器件激光器和探测器分离示意图；
图4：器件氧化限制层进行横向氧化形成注入电流限制孔径示意图；
图5：器件表面生长二氧化硅示意图；
图6：保留起到隔离作用的二氧化硅结构示意图；
图7：剥离形成顶部P型、下端N型金属电极示意图；
图8：器件衬底减薄，淀积底部P型金属电极示意图。
图中：1、底部P型金属电极，2、P型GaAs衬底，3、本征型GaAs探测器有源区，4、N型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的下DBR，5、下端N型金属电极，6、激光器量子阱有源区，7、氧化限制层，8、P型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的上DBR，9、顶部P型金属电极，10、激光器与探测器隔离层。
具体实施方式
下面结合图2-图8分别介绍实现VCSEL激光器收发一体探测集成器件制备方法；
步骤1、采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)在p-GaAs上依次外延生长本证I-GaAs探测器有源区，四十对n-Al0.95Ga0.05As与n-Al0.25Ga0.75As构成DBR反射镜，四对Al0.11Ga0.89As/Al0.3Ga0.7As量子阱结构有源区，Al0.98Ga0.02As氧化限制层，二十六对p-Al0.95Ga0.05As与p-Al0.25Ga0.75As构成DBR反射镜；
步骤2、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法将上述得到的外延片暴露并形成薄膜图形上台面结构，露出N型下DBR；
步骤3、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法在步骤2的基础上暴露并形成薄膜图形下台面结构，直到露出P型GaAs衬底，将激光器与探测器隔离；
步骤4、采用湿氮氧化方法在步骤3的基础上将氧化限制层氧化，得到限制注入电流氧化的孔径；
步骤5、在步骤4的基础上使用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)生长二氧化硅钝化层；
步骤6、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法在步骤5的基础去除台面上的二氧化硅，保留激光器与探测器之间凹槽中的二氧化硅，起到电隔离的作用；
步骤7、利用光刻和剥离相结合的方法在步骤6的基础上制作顶部P型金属电极和下端N型金属电极；
步骤8、衬底减薄，淀积背部P型金属电极，完成集成器件制作。
Claims (4)
1.一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件，其特征在于：该器件包括VCSEL激光器、两个光电探测器；VCSEL激光器、两个光电探测器是利用半导体制造工艺的方法实现一次单片集成；所述VCSEL激光器置于两个光电探测器之间；
所述VCSEL激光器光源用于发射特定波长的激光；
所述两个光电探测器用于接收反射回的激光；
所述光电探测器包括底部P型金属电极(1)、P型GaAs衬底(2)、本征型GaAs探测器有源区(3)、N型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的下DBR(4)、下端N型金属电极(5)；
所述VCSEL激光器包括P型GaAs衬底(2)、本征型GaAs探测器有源区(3)、N型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的下DBR(4)、下端N型金属电极(5)、激光器量子阱有源区(6)、氧化限制层(7)、P型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的上DBR(8)、顶部P型金属电极(9)；
VCSEL激光器与两光电探测器之间设置有激光器与探测器隔离层(10)；
该器件从下到上依次为底部P型金属电极(1)、P型GaAs衬底(2)、本征型GaAs探测器有源区(3)、N型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的下DBR(4)、下端N型金属电极(5)、激光器量子阱有源区(6)、氧化限制层(7)、P型Al0.95Ga0.05As/Al0.25Ga0.75As交替生长的上DBR(8)、顶部P型金属电极(9)。
2.根据权利要求1所述的一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件，其特征在于：探测器结构材料与VCSEL激光器结构材料是一次外延得到。
3.根据权利要求1所述的一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件，其特征在于：探测器有源区的外延材料能够对VCSEL激光器所发出的特定波长激光进行充分吸收和探测。
4.根据权利要求1所述的一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件，其特征在于：一种VCSEL激光器收发一体探测集成器件的制备方法，该方法包括，
步骤1、采用金属有机物化学气相淀积在p-GaAs上依次外延生长本证I-GaAs探测器有源区，四十对n-Al0.95Ga0.05As与n-Al0.25Ga0.75As构成DBR反射镜，四对Al0.11Ga0.89As/Al0.3Ga0.7As量子阱结构有源区，Al0.98Ga0.02As氧化限制层，二十六对p-Al0.95Ga0.05As与p-Al0.25Ga0.75As构成DBR反射镜；
步骤2、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法将上述得到的外延片暴露并形成薄膜图形上台面结构，露出N型下DBR；
步骤3、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法在步骤2的基础上暴露并形成薄膜图形下台面结构，直到露出P型GaAs衬底，将激光器与探测器隔离；
步骤4、采用湿氮氧化方法在步骤3的基础上将氧化限制层氧化，得到限制注入电流氧化的孔径；
步骤5、在步骤4的基础上使用等离子体增强化学气相淀积生长二氧化硅钝化层；
步骤6、利用光刻和选择性湿法腐蚀相结合的方法在步骤5的基础去除台面上的二氧化硅，保留激光器与探测器之间凹槽中的二氧化硅，起到电隔离的作用；
步骤7、利用光刻和剥离相结合的方法在步骤6的基础上制作顶部P型金属电极和下端N型金属电极；
步骤8、衬底减薄，淀积背部P型金属电极，完成集成器件制作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150930 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |