CN106711762B - 一种可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电子器件领域，并且更特别地，涉及一种新型的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法。针对现有技术中可调谐垂直腔面发射激光器制造工艺成品率低，价格高昂的技术问题，本发明提出了一种新型的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法。通过利用黑蜡作为支撑层结合ELO工艺剥离外延层；避免了等离子体刻蚀的操作步骤，显著降低了可调谐垂直腔面发射激光器的制造成本，提高了制造成品率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，并且更特别地，涉及一种新型的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法。
背景技术
可调谐垂直腔面发射激光器由于波长可调谐、体积小、成本低等优点，在高性能计算机、传感器、光通信系统中得到广泛的应用。宽范围波长可调谐垂直腔面发射激光器的制造涉及到微机械结构与激光器的结合，从而实现对腔长的控制，进而实现波长调谐。
根据微机械结构的不同，可调谐垂直腔面发射激光器的制造总体上涉及两种方式：(1)结构通过一次外延形成，然后通过腐蚀牺牲层来形成空腔，该方法横向腐蚀困难，结构层在腐蚀过程中容易受损，从而劣化器件的性能；(2)外延制备没有上分布反馈布拉格反射镜的半结构器件，然后通过将该半结构器件与另一上分布反馈布拉格反射镜进行结合，从而形成可调谐空腔。如下述专利公开的：中国发明专利双片集成可调垂直腔面发射激光器，申请号为2010106165480，公开了一种垂直腔面发射激光器的制造方法，但其制造方法在第9步，将衬底1减薄并且将外延片进行清洗，光刻，湿法腐蚀出薄膜图形，第10步中要将外延片放入电感耦合等离子体刻蚀系统中进行刻蚀，而刻蚀时间也要10分钟-35分钟。其需要经过减薄和电感耦合等离子等过程。而根据目前现有技术国内的刻蚀价格为约为700元/小时，因此其工艺步骤及其条件的限制，导致该方法制造成本相当高。并且刻蚀对整个垂直腔面激光器的整体性能也有影响，想要不通过昂贵的刻蚀方法，直接制得双片集成可调垂直腔面发射激光器，目前还没有公开更为有效的办法。
发明内容
本发明解决的技术问题是，针对现有技术中可调谐垂直腔面发射激光器制造工艺成品率低，价格高昂的技术问题，本发明提出了一种新型的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法。
一种可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下制备步骤：首先采用金属有机化学汽相沉积或分子束外延系统在n型砷化镓衬底上依次外延生长包括n型铝砷化镓和n型砷化镓层的下分布反馈布拉格反射镜、有源区、氧化限制层、P型欧姆接触；接下来将外延片清洗、光刻、腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层侧壁；进一步进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径；更进一步的采用金属有机化学汽相沉积或分子束外延系统外延生长绝缘层，进行第二次光刻、腐蚀、暴露出P型欧姆接触层；然后在绝缘层上溅射金属，并进行第三次光刻、腐蚀，形成注入电极；f将n型砷化镓衬底减薄，背面溅射金属形成衬底电极；g采用金属有机化学汽相沉积或分子束外延系统在GaAs衬底上，依次沉积AlAs牺牲层和上分布反馈布拉格反射镜层，还包括步骤h对上分布反馈布拉格反射镜层进行光刻、腐蚀，获得图案化的上分布反馈布拉格反射镜结构，然后在上分布反馈布拉格反射镜层上沉积金属电极层，并且对金属电极层进行光刻、蚀刻，制备具有出光孔的上电极，在上电极的上表面上设置黑蜡支撑层，将黑蜡融化后滴在上电极的表面上，通过外延层剥离技术，即采用HF腐蚀AlAs牺牲层，当AlAs牺牲层被腐蚀完后，就可分离GaAs衬底，从而获得带有支撑层的微机电系统结构薄膜；进一步在半结构的垂直腔面发射激光器表面旋涂粘合层并对粘合层进行光刻，然后将带有支撑层的微机电系统结构薄膜与半结构垂直腔面发射激光器通过粘合层粘合在一起；最后利用三氯乙烯去除支撑层，即得到成品。
上述方法中在采用HF进行腐蚀牺牲层时其浓度为10％。
在进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径时氧化温度为120℃-150℃，氧化时间为10-40分钟。
在进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径时氧化温度为130℃，氧化时间为20分钟。
上述可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法中形成的注入电流限制孔径为70μm-150μm。
上述可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法中形成的注入电流限制孔径为70μm。
上述可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法中粘合层厚度为1μm-2μm。
上述方法中所溅射的金属为TiAu。
有益效果：本发明在制备可调谐垂直腔面发射激光器的方法中，采用黑腊作为支撑层，并采用ELO工艺剥离外延层；避免了现有技术中减薄、抛光等操作带来的薄膜易碎裂的弊端；并且避免了等离子体刻蚀的操作步骤，显著降低了可调谐垂直腔面发射激光器的制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，这些附图所直接得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。
图1是本发明中可调谐垂直腔面发射激光器带黑蜡支撑层的成品结构示意图。
图2是本发明微机电系统体结构薄膜未粘合之前的结构示意图。
图3是根据本发明的实施方案制备的可调谐垂直腔面发射激光器的光谱特性曲线。
1-AlAs牺牲层 2-上电极 3-砷化镓层 4-铝砷化镓层 5-粘合层 6-注入电极 7-绝缘层 8-P型欧姆接触 10-有源区 11-铝砷化镓层 12-砷化镓层 13-n型砷化镓衬底 14-衬底电极 15-GaAs衬底 16-黑蜡支撑层 17-出光孔 100-微机电系统体结构薄膜 110-上分布反馈布拉格反射镜 200-半结构的垂直腔面发射激光器 210-下分布反馈布拉格反射镜
具体实施方式
实施例1一种可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下制备步骤：
a采用金属有机化学汽相沉积在n型砷化镓衬底13上依次外延生长n型铝砷化镓层11和n型砷化镓层12，形成下分布反馈布拉格反射镜210，再形成GalnP/GaAs量子阱结构有源区10、AlGaAs氧化限制层9，P型欧姆接触8。
b将外延片清洗、光刻、腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层9侧壁。
c进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径。
d采用金属有机化学汽相沉积生长SiO2绝缘层7，然后进行第二次光刻、腐蚀、暴露出P型欧姆接触层8。
e在SiO2绝缘层7上溅射金属，并进行第三次光刻、腐蚀，形成注入电极6。
f将n型砷化镓衬底13减薄，背面溅射金属层形成衬底电极14。
g采用金属有机化学汽相沉积在GaAs衬底15上，依次沉积AlAs牺牲层1和上分布反馈布拉格反射镜110层，其与下分布反馈布拉格反射镜层210结构相同。
h对上分布反馈布拉格反射镜110层进行光刻、腐蚀，获得图案化的上分布反馈布拉格反射镜结构，然后在上分布反馈布拉格反射镜110层上沉积金属电极层，并且对金属电极层进行光刻、蚀刻，接下来制备出具有出光孔17的上电极2，在上电极2的上表面上设置黑蜡支撑层16，即将黑蜡融化后滴在上电极2的上表面上形成黑蜡支撑16层，通过外延层剥离的方式去除GaAs衬底15，及将样品放入HF中，腐蚀AlAs牺牲层1，待AlAs牺牲层1被腐蚀完后GaAs衬底15即被剥离，从而获得带有黑蜡支撑层16的微机电系统结构薄膜100。
i在半结构的垂直腔面发射激光器200表面旋涂粘合层5并对粘合层5进行光刻，然后将带有黑蜡支撑层16的微机电系统结构薄膜100的上分布反馈布拉格反射镜110层与半结构垂直腔面发射激光器200的绝缘层7面通过粘合层5粘合在一起。
j接下来利用三氯乙烯去除黑蜡支撑层，得到成品。
本方法在制备可调谐垂直腔面发射激光器的方法中，采用黑腊作为支撑层，并采用ELO工艺剥离外延层；避免了现有技术中减薄、抛光等操作带来的薄膜易碎裂的弊端；并且避免了等离子体刻蚀的操作步骤，显著降低了可调谐垂直腔面发射激光器的制造成本。其中化学汽相沉积法的使用使整个产品在制造过程中在较低温度下即可完成，降低工艺参数，从而降低生产成本。
实施例2一种可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下制备步骤：
a采用分子束外延系统在n型砷化镓衬底13上依次外延生长n型铝砷化镓层11和n型砷化镓层12，形成下分布反馈布拉格反射镜210，再形成GalnP/GaAs量子阱结构有源区10、AlGaAs氧化限制层9，P型欧姆接触8。
b将外延片清洗、光刻、腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层9侧壁。
c进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径，氧化温度为120℃，时间为40分钟，形成注入电流限制孔径大小为70μm。
d采用金属有机化学汽相沉积生长SiO2绝缘层7，然后进行第二次光刻、腐蚀、暴露出P型欧姆接触层8。
e在SiO2绝缘层7上溅射金属，并进行第三次光刻、腐蚀，形成注入电极6。
f将n型砷化镓衬底13减薄，背面溅射TiAu金属层形成衬底电极14。
g采用分子束外延系统在GaAs衬底15上，依次形成AlAs牺牲层1和上分布反馈布拉格反射镜110层，其与下分布反馈布拉格反射镜层210结构相同。
h对上分布反馈布拉格反射镜110层进行光刻、腐蚀，获得图案化的上分布反馈布拉格反射镜结构，然后在上分布反馈布拉格反射镜110层上沉积金属电极层，并且对金属电极层进行光刻、蚀刻，接下来制备出具有出光孔17的上电极2，在上电极2的上表面上设置黑蜡支撑层16，即将黑蜡融化后滴在上电极2的上表面上形成黑蜡支撑16层，通过外延层剥离的方式去除GaAs衬底15，即将样品放入浓度为10％的HF中，腐蚀AlAs牺牲层1，待AlAs牺牲层1被腐蚀完后GaAs衬底15即被剥离，去除样品及获得带有黑蜡支撑层16的微机电系统结构薄膜100。
i在半结构的垂直腔面发射激光器200表面旋涂粘合层5，粘合层5的厚度为1μm，并对粘合层5进行光刻，然后将带有黑蜡支撑层16的微机电系统结构薄膜100的上分布反馈布拉格反射镜110层与半结构垂直腔面发射激光器200的绝缘层7面通过粘合层5粘合在一起。
j接下来将样品放入三氯乙烯中，待黑蜡溶解后，即黑蜡支撑层去除后取出，即得到成品。
本方法在制备可调谐垂直腔面发射激光器的方法中，采用黑腊作为支撑层，并采用ELO工艺剥离外延层；避免了现有技术中减薄、抛光等操作带来的薄膜易碎裂的弊端；并且避免了等离子体刻蚀的操作步骤，显著降低了可调谐垂直腔面发射激光器的制造成本。其中氧化温度为120℃，时间为40分钟，形成注入电流限制孔径大小为70μm；其中氧化温度较低，对整个样品材料的损伤较小。分子束外延系统的使用对产品的整体制造控制更加精确。
实施例3一种可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下制备步骤：
a采用分子束外延系统在n型砷化镓衬底13上依次外延生长n型铝砷化镓层11和n型砷化镓层12，形成下分布反馈布拉格反射镜210，再形成GalnP/GaAs量子阱结构有源区10、AlGaAs氧化限制层9，P型欧姆接触8。
b将外延片清洗、光刻、腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层9侧壁。
c进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径，氧化温度为130℃，时间为20分钟，形成注入电流限制孔径大小为70μm。
d采用金属有机化学汽相沉积生长SiO2绝缘层7，然后进行第二次光刻、腐蚀、暴露出P型欧姆接触层8。
e在SiO2绝缘层7上溅射金属，并进行第三次光刻、腐蚀，形成注入电极6。
f将n型砷化镓衬底13减薄，背面溅射TiAu金属层形成衬底电极14。
g采用分子束外延系统在GaAs衬底15上，依次形成AlAs牺牲层1和上分布反馈布拉格反射镜110层，其与下分布反馈布拉格反射镜层210结构相同。
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i在半结构的垂直腔面发射激光器200表面旋涂粘合层5，粘合层5的厚度为1μm，并对粘合层5进行光刻，然后将带有黑蜡支撑层16的微机电系统结构薄膜100的上分布反馈布拉格反射镜110与半结构垂直腔面发射激光器200通过粘合层5粘合在一起。
j接下来将样品放入三氯乙烯中，待黑蜡溶解后，即黑蜡支撑层去除后取出，即得到成品。
本方法在制备可调谐垂直腔面发射激光器的方法中，采用黑腊作为支撑层，并采用ELO工艺剥离外延层；避免了现有技术中减薄、抛光等操作带来的薄膜易碎裂的弊端；并且避免了等离子体刻蚀的操作步骤，显著降低了可调谐垂直腔面发射激光器的制造成本。其中氧化温度为130℃，时间为20分钟，形成注入电流限制孔径大小为70μm；本方法中氧化温度与时间最为合适，在不不损害材料的前提下，缩短制造时间。分子束外延系统的使用对产品的整体制造控制更加精确。
实施例4一种可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下制备步骤：
a采用金属有机化学汽相沉积法在n型砷化镓衬底13上依次形成n型铝砷化镓层11和n型砷化镓层12，形成下分布反馈布拉格反射镜210，再形成GalnP/GaAs量子阱结构有源区10、AlGaAs氧化限制层9，P型欧姆接触8。
b将外延片清洗、光刻、腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层9侧壁。
c进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径，氧化温度为150℃，时间为10分钟，形成注入电流限制孔径大小为150μm。
d采用金属有机化学汽相沉积形成SiO2绝缘层7，然后进行第二次光刻、腐蚀、暴露出P型欧姆接触层8。
e在SiO2绝缘层7上溅射金属，并进行第三次光刻、腐蚀，形成注入电极6。
f将n型砷化镓衬底13减薄，背面溅射TiAu金属层形成衬底电极14。
g采用金属有机化学汽相沉积在GaAs衬底15上，依次沉积AlAs牺牲层1和上分布反馈布拉格反射镜110层，其与下分布反馈布拉格反射镜层210结构相同。
h对上分布反馈布拉格反射镜110层进行光刻、腐蚀，获得图案化的上分布反馈布拉格反射镜结构，然后在上分布反馈布拉格反射镜110层上沉积金属电极层，并且对金属电极层进行光刻、蚀刻，接下来制备出具有出光孔17的上电极2，在上电极2的上表面上设置黑蜡支撑层16，即将黑蜡融化后滴在上电极2的上表面上形成黑蜡支撑16层，通过外延层剥离的方式去除GaAs衬底15，及将样品放入浓度为10％的HF中，腐蚀AlAs牺牲层1，待AlAs牺牲层1被腐蚀完后GaAs衬底15即被剥离，去除样品及获得带有黑蜡支撑层16的微机电系统结构薄膜100。
i在半结构的垂直腔面发射激光器200表面旋涂粘合层5，粘合层5的厚度为2μm并对粘合层5进行光刻，然后将带有黑蜡支撑层16的微机电系统结构薄膜100的上分布反馈布拉格反射镜110与半结构垂直腔面发射激光器200通过粘合层5粘合在一起。
j接下来将样品放入三氯乙烯中，待黑蜡溶解后，即黑蜡支撑层去除后取出，即得到成品。
本方法在制备可调谐垂直腔面发射激光器的方法中，采用黑腊作为支撑层，并采用ELO工艺剥离外延层；避免了现有技术中减薄、抛光等操作带来的薄膜易碎裂的弊端；并且避免了等离子体刻蚀的操作步骤，显著降低了可调谐垂直腔面发射激光器的制造成本。其中氧化温度为150℃，时间为10分钟，形成注入电流限制孔径大小为150μm；其中氧化时间较短，可以减少产品生产周期。其中化学汽相沉积法的使用使整个产品在制造过程中在较低温度下即可完成，降低工艺参数，从而降低生产成本。
Claims (8)
1.一种可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下制备步骤：a采用金属有机化学汽相沉积或分子束外延系统在n型砷化镓衬底(13)上依次外延生长包括n型铝砷化镓(11)和n型砷化镓层(12)的下分布反馈布拉格反射镜(210)、有源区(10)、氧化限制层(9)、P型欧姆接触(8)；b将外延片清洗、光刻、腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层(9)侧壁；c进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径；d采用金属有机化学汽相沉积或分子束外延系统外延生长绝缘层(7)，进行第二次光刻、腐蚀、暴露出P型欧姆接触层(8)；e在绝缘层(7)上溅射金属，并进行第三次光刻、腐蚀，形成注入电极(6)；f将n型砷化镓衬底(13)减薄，背面溅射金属形成衬底电极(14)；g采用金属有机化学汽相沉积或分子束外延系统在GaAs衬底(15)上，依次沉积AlAs牺牲层(1)和上分布反馈布拉格反射镜(110)层，其特征在于：还包括步骤h对上分布反馈布拉格反射镜(110)层进行光刻、腐蚀，获得图案化的上分布反馈布拉格反射镜结构，然后在上分布反馈布拉格反射镜(110)层上沉积金属电极层，并且对金属电极层进行光刻、蚀刻，制备具有出光孔(17)的上电极(2)，在上电极(2)的上表面上设置黑蜡支撑层(16)，并且采用HF腐蚀AlAs牺牲层(1)，通过外延层剥离的方式去除GaAs衬底(15)，从而获得带有支撑层的微机电系统结构薄膜(100)；步骤i在半结构的垂直腔面发射激光器(200)表面旋涂粘合层(5)并对粘合层(5)进行光刻，然后将带有支撑层(16)的微机电系统结构薄膜(100)与半结构垂直腔面发射激光器(200)通过粘合层(5)粘合在一起；j利用三氯乙烯去除黑蜡支撑层(16)，得到成品。
2.根据权利要求1所述的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：步骤h中采用浓度为10％的HF腐蚀牺牲层。
3.根据权利要求1所述的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：步骤c中氧化温度为120℃-150℃，氧化时间为10-40分钟。
4.根据权利要求1所述的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：步骤c中氧化温度为130℃，氧化时间为20分钟。
5.根据权利要求1所述的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：步骤c中形成的注入电流限制孔径为70μm-150μm。
6.根据权利要求5所述的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：步骤c中形成的注入电流限制孔径为70μm。
7.根据权利要求1所述的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：步骤i中粘合层厚度为1μm-2μm。
8.根据权利要求1所述的可调谐垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：步骤e或步骤f中所溅射的金属为TiAu。
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