CN108598866A - 一种vcsel芯片阵列结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种VCSEL芯片阵列结构,包括半导体层、氧化台阶和出光孔;氧化台阶在半导体层上呈阵列分布,且各氧化台阶相对于各出光孔中心对称,氧化台阶为多边形结构,相邻氧化台阶之间通过半导体筋连接,相邻多个氧化台阶的轮廓线及连接两氧化台阶的半导体筋构成的封闭空间形成氧化孔,出光孔中心对称且具有非圆形的氧化前沿轮廓线。另外,本发明还提供了该VCSEL芯片阵列结构的制作方法。本发明通过各相邻出光孔的氧化台阶相互之间由半导体筋连接,保证了各出光孔的机械强度,同时各氧化台阶相对于各出光孔中心对称,且分布均匀,保证了氧化速度沿各出光孔中心均匀对称,且出光孔近似圆斑,其氧化前沿轮廓线为非圆形,有利于改善VCSEL激光的偏振性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器芯片制作工艺技术领域,具体涉及一种VCSEL芯片阵列结构及其制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,以 下简称VCSEL)自1977年发明以来,由于其阈值电流底、光电转换效率高、单纵模输出、圆形光斑易于耦合、可阵列集成、测试简便、制造成本低,已经广泛用于光通信、3-D传感红外照明等工业领域。VCSEL其中的一个关键工艺是侧向氧化,侧向氧化所形成的氧化物既能有效地限制电流,又能对激光进行约束,从而极大提高VCSEL的光电性能。侧向氧化通常的做法是采用湿法腐蚀或干法刻蚀在出光孔周围刻出圆形台阶,台阶的深度以露出VCSEL外延层中的高铝氧化层为准。通常,氧化台阶2是环形的,如图1所示,氧化台阶2外的半导体层1全部腐蚀或刻蚀掉,只有氧化台阶2突出,所形成的氧化台阶2是连续的环状,出光孔3位于氧化台阶2的中心。现有的这种环形氧化台阶2虽然加工简便,但它限制了相邻出光孔3的最小间距,不利于VCSEL列阵集成;而且,这种环形氧化台阶2使得每个出光孔3各自独立,容易受到侧面外力作用而造成损伤;同时由于外延层中的氧化层与非氧化层结合力弱,独立的环状氧化台阶2容易在垂直应力作用下产生开裂,影响VCSEL的使用可靠性。
另外,据文献“Control of Vertical-Cavity Laser Polarization withAnisotropic Transverse Cavity Geometries,Kent D. Choquette and R. E.Leibenguth,IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 6, NO. 1 , JANUARY 1994,pp.40-42”报道,一般VCSEL发出的激光其偏振是在有源层上随机分布的,这种特性不利于VCSEL应用在要求偏振光的场合,采用非圆形出光孔,有利于改善VCSEL激光的偏振性能;而现有的这种环形氧化台阶产生的出光孔是圆形的,因此开发新的能够形成非圆形氧化孔的氧化台阶很有必要。
发明内容
本发明的目的是克服现有VCSEL氧化台阶存在的上述问题,提供一种VCSEL芯片阵列结构,不仅确保出光孔的机械强度,而且能改善VCSEL激光偏振性能。
本发明的技术方案是提供了一种VCSEL芯片阵列结构,包括半导体层和突出设置在半导体层上的若干个氧化台阶,所述氧化台阶中心设有出光孔;若干个所述氧化台阶在半导体层上呈阵列分布,且各氧化台阶相对于各出光孔中心对称,所述氧化台阶为多边形结构,相邻所述氧化台阶之间通过半导体筋连接,相邻多个氧化台阶的轮廓线及连接两氧化台阶的半导体筋构成的封闭空间形成氧化孔,所述出光孔中心对称且具有非圆形的氧化前沿轮廓线。
进一步的,若干个所述氧化台阶呈长方形阵列或密排六方阵列分布。
进一步的,所述氧化台阶是由多条半径相同的圆弧线段和多条短线段依次交替连接构成的多边形结构。
进一步的,所述半导体筋的宽度为2~10微米。
进一步的,所述氧化前沿轮廓线由多段圆弧连接而成。
另外,本发明还提供了上述VCSEL芯片阵列结构的制作方法,包括如下步骤:
1)根据VCSEL芯片阵列结构上所需发光点的数量和排列特征,选择具有代表性的三个发光点,并在三个发光点为顶点所构成的三角形内构造多边形结构的氧化孔;
2)将上述氧化孔围绕三个发光点通过旋转对称或镜面对称,组成多边形氧化孔阵列图形;
3)将上述多边形氧化孔阵列图形通过光刻的方法转移到半导体层上,然后通过溶液腐蚀或反应离子刻蚀方法在半导体层上将多边形氧化孔阵列图形部分的表层半导体去除,从而形成突出半导体层的氧化台阶,且相邻的氧化台阶通过半导体筋相连;
4)将步骤3)得到的氧化台阶通过侧向氧化工艺在其中心形成出光孔,从而得到VCSEL芯片阵列结构。
进一步的,所述步骤1)中氧化孔的制作过程如下:首先,以三个发光点为顶点作三角形基本单元,并测量三角形三边的长度;然后,以三角形基本单元的三个顶点为圆心,以小于三角形最短边长度为半径,在三角形内作出三段圆弧;最后,在三角形基本单元内,分别作三条平行于三角形三边的短线段,三条短线段与三段圆弧依次交替连接组成多边形结构的氧化孔。
进一步的,所述三角形基本单元为直角三角形或等边三角形。
进一步的,所述氧化孔的三段圆弧半径长度大于氧化扩散距离,且小于三角形基本单元的最小边长,通常圆弧半径为5~20微米。
进一步的,所述氧化孔的三条短线段的长度为0~10微米。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
(1)本发明提供的这种VCSEL芯片阵列结构中各相邻出光孔的氧化台阶相互之间有半导体筋连接,保证了各出光孔的机械强度,同时各氧化台阶相对于各出光孔中心是对称的,而且分布均匀,保证了氧化速度沿各出光孔中心均匀对称,而且所形成的出光孔为近似圆斑,且其氧化前沿轮廓线为非圆形,有利于改善VCSEL激光的偏振性能。
(2)本发明提供的这种VCSEL芯片阵列结构在对VCSEL进行侧向氧化时,不会增加VCSEL芯片制作任何额外的设备投资,而且能提高VCSEL芯片光电性能和使用可靠性,具有广阔的市场推广应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是现有VCSEL环形氧化台阶的结构示意图;
图2是实施例1的VCSEL芯片阵列结构中氧化孔设计示意图;
图3是实施例1中得到的长方形阵列的VCSEL芯片阵列结构示意图;
图4是实施例2中得到的密排六方阵列的VCSEL芯片阵列结构示意图。
附图标记说明:1、半导体层;2、氧化台阶;3、出光孔;4、氧化孔;5、半导体筋;6、短线段;7、圆弧;8、氧化前沿轮廓线;9、最长边方向。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制;在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
如图2和图3所示,本发明实施例提供了一种VCSEL芯片阵列结构,包括半导体层1和突出设置在半导体层1上的若干个氧化台阶2,所述氧化台阶2中心设有出光孔3;若干个所述氧化台阶2在半导体层1上呈阵列分布,且各氧化台阶2相对于各出光孔3中心对称,所述氧化台阶2为多边形结构,相邻所述氧化台阶2之间通过半导体筋5连接,相邻多个氧化台阶2的轮廓线及连接两氧化台阶2的半导体筋5构成的封闭空间形成氧化孔4,所述出光孔3中心对称且具有非圆形的氧化前沿轮廓线8。具体的,所述氧化台阶2是由多段半径相同的圆弧7和多条短线段6依次交替连接构成的多边形结构,各圆弧7的半径相同,可有效确保氧化速度相对于各个发光点一致,同时由这种结构的氧化台阶2和半导体筋5构成的氧化孔4亦为由多段半径相同的圆弧7和多条短线段6依次交替连接构成的多边形结构,可有效地提高VCSEL激光器光电性能,同时又能提高VCSEL激光器的使用寿命;所述半导体筋5的宽度为2~10微米,保证了各出光孔3的机械强度;所述氧化前沿轮廓线8是在侧向氧化过程中,根据氧化扩散原理,由多边形结构的氧化孔阵列结构产生的并由多段圆弧连接而成,同时根据设计尺寸的不同,氧化前沿轮廓线8可以存在一条最长边方向9,此最长边方向9形成了非圆形的电流和光学限制,有利于激光的偏振。
下面以具体实施例说明不同阵列结构的VCSEL芯片阵列结构制作过程。
实施例1:
如图2和3所示,本实施例提供了一种VCSEL芯片长方形阵列结构的制作方法,具体实施步骤如下:
首先,如图2所示,采用VCSEL芯片长方形阵列结构中的直角三角形AOB为基本单元,直角三角形AOB的两个直角边AO和BO的边长分别为30微米和40微米,直角三角形的斜边AB的长度为50微米,在直角三角形内,以三个顶点为中心,分别画三段圆弧7,圆弧7的半径大于10微米,小于最短直角边AO的一半15微米,优选13微米,直角三角形内的三条短线段6,与30微米的直角边AO平行的短线段,距离平行的直角边AO大于3微米,优选5微米,与40微米的直角边BO平行的短线段,距离平行的直角边BO小于2微米,优选1微米,与50微米的斜边AB平行的短线段,距离平行的斜边AB为零,即与斜边AB重合,由此三段圆弧7和三条短线段6组成的封闭多边形围绕着直角顶点O作一个180度旋转对称,然后以两个直角边AO和BO为对称轴分别作两个镜面对称,这样围绕直角顶点O形成四个多边形排列,再将此四个多边形排列分别沿两个直角边进行线性阵列排布,阵列的周期分别为两个直角边的长度,即30微米和40微米,最终所形成的多边形阵列就是VCSEL长方形阵列所需的氧化孔阵列图形。
然后,如图3所示,利用光刻的方法把上述氧化孔阵列图形转移到VCSEL半导体层1表面,再采用溶液腐蚀或反应离子刻蚀方法把半导体层1表面的半导体去掉,露出多边形氧化台阶2,其深度超过VCSEL半导体的有源层, 由此所形成的氧化台阶2由四个圆弧7组成,侧向氧化后在其中心形成氧化前沿轮廓线8,通过氧化前沿轮廓线8的电流和光场限制最后形成的出光孔3一方面具有中心对称的特点,另一方面具有非圆形的氧化前沿轮廓线8。此外,氧化台阶2还有2-10微米的半导体筋5相连,保证了出光孔3的机械强度。
实施例2:
如图4所示,本实施例提供了一种VCSEL芯片密排六方阵列结构的制作方法,具体实施步骤如下:
首先,采用VCSEL芯片密排六方阵列结构中的等边三角形为基本单元,等边三角形的三边长为32微米,在等边三角形内,以三个顶点为中心,分别画三段圆弧,圆弧的半径大于10微米,小于最短边的一半16微米,优选14微米;等边三角形内的三条短线段,分别与三条边平行,而且距离平行边的距离相等,大于3微米,优选5微米,由此三段圆弧和三条短线段组成的封闭多边形围绕着等边三角形的任一顶点作六个60度旋转对称,这样围绕顶点形成六个多边形排列;再将此六个多边形分别沿两个相邻边进行线性阵列排布,阵列的周期分别为等边三角性的边长,即32微米,这样所形成的多边形阵列就是VCSEL密排六方阵列所需的氧化孔阵列。
然后,利用光刻的方法把上述氧化孔阵列图形转移到VCSEL半导体层1表面,再采用溶液腐蚀或反应离子刻蚀方法把半导体层1表面的半导体去掉,露出多边形氧化台阶2,其深度超过VCSEL半导体的有源层,由此所形成的氧化台阶2由六个圆弧组成,侧向氧化后形成的出光孔3一方面具有中心对称的特点,另一方面所形成的非圆形氧化前沿轮廓线8非常接近圆形。此外,氧化台阶2还有10微米的半导体筋相连,保证了出光孔3的机械强度。
在实际应用中,本发明中的这种氧化孔的制作方法,不仅可以制作均匀阵列VCSEL氧化孔,而且也可以制作非均匀阵列或随机分布的VCSEL氧化孔。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明,并不构成对本发明的保护范围的限制,凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种VCSEL芯片阵列结构,包括半导体层和突出设置在半导体层上的若干个氧化台阶,所述氧化台阶中心设有出光孔;其特征在于:若干个所述氧化台阶在半导体层上呈阵列分布,且各氧化台阶相对于各出光孔中心对称,所述氧化台阶为多边形结构,相邻所述氧化台阶之间通过半导体筋连接,相邻多个氧化台阶的轮廓线及连接两氧化台阶的半导体筋构成的封闭空间形成氧化孔,所述出光孔中心对称且具有非圆形的氧化前沿轮廓线。
2.如权利要求1所述的VCSEL芯片阵列结构,其特征在于:若干个所述氧化台阶呈长方形阵列或密排六方阵列分布。
3.如权利要求1所述的VCSEL芯片阵列结构,其特征在于:所述氧化台阶是由多条半径相同的圆弧线段和多条短线段依次交替连接构成的多边形结构。
4.如权利要求1所述的VCSEL芯片阵列结构,其特征在于:所述半导体筋的宽度为2~10微米。
5.如权利要求1所述的VCSEL芯片阵列结构,其特征在于:所述氧化前沿轮廓线由多段圆弧连接而成。
6.一种VCSEL芯片阵列结构的制作方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)根据VCSEL芯片阵列结构上所需发光点的数量和排列特征,选择具有代表性的三个发光点,并在三个发光点为顶点所构成的三角形内构造多边形结构的氧化孔;
2)将上述氧化孔围绕三个发光点通过旋转对称或镜面对称,组成多边形氧化孔阵列图形;
3)将上述多边形氧化孔阵列图形通过光刻的方法转移到半导体层上,然后通过溶液腐蚀或反应离子刻蚀方法在半导体层上将多边形氧化孔阵列图形部分的表层半导体去除,从而形成突出半导体层的氧化台阶,且相邻的氧化台阶通过半导体筋相连;
4)将步骤3)得到的氧化台阶通过侧向氧化工艺在其中心形成出光孔,从而得到VCSEL芯片阵列结构。
7.如权利要求6所述的VCSEL芯片阵列结构的制作方法,其特征在于:所述步骤1)中氧化孔的制作过程如下:首先,以三个发光点为顶点作三角形基本单元,并测量三角形三边的长度;然后,以三角形基本单元的三个顶点为圆心,以小于三角形最短边长度为半径,在三角形内作出三段圆弧;最后,在三角形基本单元内,分别作三条平行于三角形三边的短线段,三条短线段与三段圆弧依次交替连接组成多边形结构的氧化孔。
8.如权利要求7所述的VCSEL芯片阵列结构的制作方法,其特征在于:所述三角形基本单元为直角三角形或等边三角形。
9.如权利要求7所述的VCSEL芯片阵列结构的制作方法,其特征在于:所述氧化孔的三段圆弧半径长度大于氧化扩散距离,且小于三角形基本单元的最小边长。
10.如权利要求7所述的VCSEL芯片阵列结构的制作方法,其特征在于:所述氧化孔的三条短线段的长度为0~10微米。
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