CN108736316A - 制作垂直腔面发射激光器的方法及垂直腔面发射激光器 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种制作VCSEL的方法及VCSEL。包括：在衬底上表面外延生长缓冲层；在缓冲层上外延生长第一DBR；在第一DBR上外延生长第一限制层；在第一限制层上外延生长量子阱有源层；在量子阱有源层上外延生长第二限制层；在第二限制层上外延生长第二DBR；在第二DBR上外延生长复合接触层；在复合接触层上淀积绝缘介质掩模层；在绝缘介质掩模层上光刻台面图案并刻蚀形成台面；淀积绝缘介质掩模层并刻蚀，形成侧墙；采用各向同性进行部分侧向腐蚀，形成通光孔；应力消除以及平坦化处理；在台面上表面制作第一电极接触层；对衬底背面进行减薄处理；在减薄后的背面制作第二电极接触层。如此，可提升VCSEL的合格率，降低生产VCSEL的成本。

Description

制作垂直腔面发射激光器的方法及垂直腔面发射激光器
技术领域
本申请涉及半导体激光器技术领域，具体而言，涉及一种制作垂直腔面发射激光器的方法及垂直腔面发射激光器。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL，Vertical Cavity Surface EmittingLaser)具有调制速度高、易产生单纵膜、易实现二维面阵集成大功率输出、出光面积大而不易使发光面受损、发射为圆形光斑易于和光纤高效耦合以及易集成等优良特性，成为数据传输和3D姿态传感等的重要组成器件，广泛应用在光通信、手机、精密加工、先进制造装备、测试仪器、科学研究等领域中。
目前，VCSEL的主要技术难点是如何将经过有源区(有源层)的注入电流限制在通光孔范围内，使得电子-空穴对在有源区结合后产生的光子能够在与通光孔截面积相同的谐振腔内发生最有效受激振荡，从而产生激光输出。如果注入电流在有源区的电流面积大于通光孔面积，则注入电流产生的部分光子在谐振腔内参与受激振荡后，不能从通光孔输出，降低了光发射效率，需要增加阈值电流才能达到额定要求。如果注入电流在有源区的电流面积小于通光孔面积，则通光孔没有得到充分利用，降低了光发射功率。因而，VCSEL中的通光孔尺寸结构是影响VCSEL光发射效率以及功率的关键器件。
在VCSEL的制造工艺中，通过外延生长形成一层高铝含量的铝镓砷(Al0.98Ga0.02As)层，然后将该铝镓砷层的外圆部分利用水汽氧化，使得铝镓砷层的外圆部分被氧化为不导电的氧化铝，从而限制电子流和光子流通过，中间未被氧化的铝镓砷层为通光孔，用于通过电子流和光子流。但该高铝层氧化生成通光孔的方法，由于水汽氧化速度受外界因素，例如，水汽温度、流量等因素的影响，氧化速度不稳定，将直接导致铝镓砷层的氧化深度不稳定，氧化均匀性差，因而用于限流的通光孔面积无法精准控制，使得VCSEL的合格率较低，生产VCSEL的成本增加。另外，由于作为电流限制层的氧化铝和周边的半导体材料的晶格有差异，以及氧化铝夹层形成的附加电容，也会影响VCSEL的稳定性和可靠性。
发明内容
第一方面，本申请实施例提供一种制作垂直腔面发射激光器的方法，所述方法包括：
在衬底上表面外延生长缓冲层；
在缓冲层上外延生长第一分布布拉格反射镜DBR；
在第一DBR上外延生长第一限制层；
在第一限制层上外延生长量子阱有源层；
在量子阱有源层上外延生长第二限制层；
在第二限制层上外延生长第二DBR；
在第二DBR上外延生长复合接触层；
在复合接触层上淀积绝缘介质掩模层；
在绝缘介质掩模层上光刻台面图案；
用干法或湿法腐蚀没有绝缘介质掩模层的区域形成台面；
淀积绝缘介质掩模层并刻蚀，形成围绕台面的绝缘介质掩模侧墙；
采用各向同性进行部分侧向腐蚀，形成通光孔；
应力消除以及平坦化处理；
在台面上表面制作第一电极接触层；
对衬底背面进行减薄处理；
在减薄后的背面制作第二电极接触层。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一种可能的实施方式，其中，利用砷化镓、磷化铟、氮化镓或锑化铟制作所述衬底，所述衬底包括：N型掺杂衬底、P型掺杂衬底以及半绝缘衬底。
结合第一方面，本申请实施例提供了第二种可能的实施方式，其中，所述第一DBR包括34组依次相连的n型子层DBR，其中，每组n型子层DBR包括：第一渐变n型子层、第一非渐变n型子层、第二渐变n型子层以及第二非渐变n型子层，其中，
第一渐变n型子层外延生长在缓冲层上；
第一非渐变n型子层外延生长在第一渐变n型子层上；
第二渐变n型子层外延生长在第一非渐变n型子层上；
第二非渐变n型子层外延生长在第二渐变n型子层上。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本申请实施例提供了第三种可能的实施方式，其中，所述第一渐变n型子层为一铝含量从12％渐变到90％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第一非渐变n型子层为一铝含量为90％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度50纳米；
第二渐变n型子层为一铝含量从90％渐变到12％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第二非渐变n型子层一铝含量为12％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度39纳米。
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本申请实施例提供了第四种可能的实施方式，其中，利用砷化镓、铝镓砷、铟镓磷、铟铝磷、铟镓铝磷或镓铟氮砷制作所述第一DBR。
结合第一方面，本申请实施例提供了第五种可能的实施方式，其中，所述第一限制层包括：渐变第一限制子层以及非渐变第一限制子层，其中，
渐变第一限制子层外延生长在第一DBR上；
非渐变第一限制子层外延生长在渐变第一限制子层上。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，本申请实施例提供了第六种可能的实施方式，其中，所述渐变第一限制子层为一铝含量从60％渐变到30％的铝镓砷层，厚度87纳米；
非渐变第一限制子层为一铝含量为30％的铝镓砷层，厚度20纳米。
结合第一方面，本申请实施例提供了第七种可能的实施方式，其中，所述量子阱有源层包括两组相同的不掺杂量子阱有源子层，每一不掺杂量子阱有源子层包括：第一厚度的不掺杂镓砷子层以及第二厚度的不掺杂铝镓砷子层，其中，第一组的不掺杂镓砷子层外延生长在第一限制层上，第一组的不掺杂铝镓砷子层外延生长在不掺杂镓砷子层上，第二组外延生长在第一组上。
结合第一方面，本申请实施例提供了第八种可能的实施方式，其中，所述第二限制层包括：非渐变第二限制子层以及渐变第二限制子层，其中，
非渐变第二限制子层外延生长在量子阱有源层上；
渐变第二限制子层外延生长在非渐变第二限制子层上。
结合第一方面，本申请实施例提供了第九种可能的实施方式，其中，所述第二DBR包括22组依次相连的P型子层DBR，其中，每组P型子层DBR包括：第一渐变P型子层、第一非渐变P型子层、第二渐变P型子层以及第二非渐变P型子层，其中，
第一渐变P型子层外延生长在第二限制层上；
第一非渐变P型子层外延生长在第一渐变P型子层上；
第二渐变P型子层外延生长在第一非渐变P型子层上；
第二非渐变P型子层外延生长在第二渐变P型子层上。
复合接触层生长在第二个DBR上为了形成良好的欧姆接触。
复合接触层由渐变、非渐变铝镓砷层和砷化镓层组成。
第二方面，本申请实施例提供一种垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器包括：衬底以及在所述衬底上依次外延生长形成的生长缓冲层、第一分布布拉格反射镜DBR、第一限制层、量子阱有源层、第二限制层、第二DBR、复合接触层；
在第二DBR上生长90％-12％渐变、12％非渐变铝镓砷层和镓砷层，均为P型掺杂的复合接触层；
在复合接触层上淀积绝缘介质层，所述绝缘介质掩模层包括：二氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层；
在绝缘介质掩模层刻蚀形成的台面；
淀积绝缘介质掩模层并刻蚀形成的围绕台面的绝缘介质掩模侧墙；
采用各向同性进行部分侧向腐蚀形成的通光孔；
形成于台面上表面的第一电极接触层；
形成于减薄后衬底背面的第二电极接触层。
结合第二方面，本申请实施例提供了第一种可能的实施方式，其中，所述第一DBR包括34组依次相连的n型子层DBR，其中，每组n型子层DBR包括：在缓冲层上依次外延生长形成的第一渐变n型子层、第一非渐变n型子层、第二渐变n型子层以及第二非渐变n型子层。
结合第二方面，本申请实施例提供了第二种可能的实施方式，其中，所述第一限制层包括：在第一DBR上依次外延生长形成的渐变第一限制子层以及非渐变第一限制子层。
结合第二方面，本申请实施例提供了第三种可能的实施方式，其中，所述量子阱有源层包括两组相同的不掺杂量子阱有源子层，每一不掺杂量子阱有源子层包括：在第一限制层上依次外延生长形成的第一厚度的不掺杂镓砷子层以及第二厚度的不掺杂铝镓砷子层。
结合第二方面，本申请实施例提供了第四种可能的实施方式，其中，所述第二DBR包括22组依次相连的P型子层DBR，其中，每组P型子层DBR包括：在第二限制层上依次外延生长形成的第一渐变P型子层、第一非渐变P型子层、第二渐变P型子层以及第二非渐变P型子层。
相对于现有技术而言，本申请具有以下有益效果：
本申请提供的制作垂直腔面发射激光器的方法及垂直腔面发射激光器，通过在第一DBR上外延生长第一限制层；在第一限制层上外延生长量子阱有源层；在量子阱有源层上外延生长第二限制层；在第二限制层上外延生长第二DBR；在第二DBR上外延生长复合接触层；在复合接触层上淀积绝缘介质掩模层；在绝缘介质掩模层上光刻台面图案；刻蚀台面图案形成台面；淀积绝缘介质掩模层并刻蚀，形成围绕台面的绝缘介质掩模侧墙；采用各向同性进行部分侧向腐蚀，形成通光孔。这样，依靠对台面形成氧化物的侧墙，然后对台面下的材料采用各向同性进行横向腐蚀和异质材料填充，从而可以精确控制通光孔径，进而提升制造的VCSEL的合格率，有效降低生产VCSEL的成本；同时，通过各向同性进行横向腐蚀和异质材料填充得到的电流限制层，不会形成附加电容，也进一步提升了VCSEL的稳定性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于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他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的制作垂直腔面发射激光器的方法流程示意图；
图2为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
图1为本申请实施例提供的制作垂直腔面发射激光器的方法流程示意图。本实施例中，以波长为850纳米的VCSEL为例，其它波长的VCSEL中，各层的材料组分可能不同，但VCSEL的各层结构相类似，能够适用于所有波长范围的VCSEL的制作流程。如图1所示，该流程包括：
步骤101，在衬底上表面外延生长缓冲层；
本实施例中，外延生长是指在衬底上生长一层与衬底晶向相同的单晶层。作为一可选实施例，衬底包括但不限于：砷化镓衬底、磷化铟衬底、氮化镓衬底、锑化铟衬底及其它III-V族半导体元素制成的衬底。作为另一可选实施例，衬底可以掺杂，包括：N型掺杂衬底、P型掺杂衬底以及半绝缘衬底。例如，对于砷化镓衬底，可以是n型掺杂砷化镓基片或半绝缘砷化镓基片。
本实施例中，n型掺杂砷化镓基片中的掺杂为掺硅，作为一可选实施例，掺硅浓度为1×1019/cm3。
本实施例中，作为一可选实施例，缓冲层为n型掺杂缓冲层，制作在衬底上，掺杂浓度为2.5×1018/cm3，厚度200纳米。
本实施例中，通过在衬底上表面外延生长缓冲层，可以避免衬底的晶格常数和热胀系数与后续分布布拉格反射镜的晶格常数和热胀系数存在较大差异，从而导致生长产生大量位错的情形。
步骤102，在缓冲层上外延生长第一分布布拉格反射镜；
本实施例中，作为一可选实施例，第一分布布拉格反射镜(DBR，DistributedBragg Reflector)包括：砷化镓DBR以及与砷化镓晶格常数匹配的DBR，其中，与砷化镓晶格常数匹配的DBR包括：铝镓砷DBR、铟镓磷DBR、铟铝磷DBR、铟镓铝磷DBR或镓铟氮砷DBR等。
本实施例中，作为一可选实施例，所有第一DBR为n型DBR。作为另一可选实施例，n型DBR为n型渐变型掺杂DBR。
本实施例中，作为一可选实施例，n型渐变型掺杂DBR为n型渐变型掺硅DBR，包括34组依次相连的n型掺硅子层DBR，即第一DBR包括34组依次相连的n型子层DBR，其中，每组n型掺硅子层DBR(n型子层DBR)包括：第一渐变n型子层、第一非渐变n型子层、第二渐变n型子层以及第二非渐变n型子层，其中，
第一渐变n型子层外延生长在缓冲层上；
第一非渐变n型子层外延生长在第一渐变n型子层上；
第二渐变n型子层外延生长在第一非渐变n型子层上；
第二非渐变n型子层外延生长在第二渐变n型子层上。
本实施例中，作为一可选实施例，第一渐变n型子层为一铝含量从12％渐变到90％的铝镓砷(AlxGa1-xAs，x＝0.12)层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第一非渐变n型子层为一铝含量为90％的铝镓砷(AlxGa1-xAs，x＝0.90)层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度50纳米；
第二渐变n型子层为一铝含量从90％渐变到12％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第二非渐变n型子层一铝含量为12％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度39纳米。
本实施例中，作为一可选实施例，利用上述流程制成的n型渐变型掺硅DBR的反射率在99.95％以上，可以有效提升光波反射效率。
步骤103，在第一DBR上外延生长第一限制层；
本实施例中，作为一可选实施例，第一限制层为不掺杂第一限制层或轻掺杂第一限制层，第一限制层制作在第一DBR上。
本实施例中，作为一可选实施例，第一限制层包括：渐变第一限制子层以及非渐变第一限制子层，其中，
渐变第一限制子层外延生长在第一DBR上；
非渐变第一限制子层外延生长在渐变第一限制子层上。
作为一可选实施例，以不掺杂第一限制层为不掺杂铝镓砷第一限制层为例，渐变第一限制子层为一铝含量从60％渐变到30％的铝镓砷层，厚度87纳米；
非渐变第一限制子层为一铝含量为30％的铝镓砷层，厚度20纳米。
作为另一可选实施例，可以采用砷化镓、与砷化镓晶格常数匹配的材料，例如，铝镓砷、铟镓磷、铟铝磷、铟镓铝磷、镓铟氮砷等进行外延生长，形成具有分层外延结构的第一限制层。
步骤104，在第一限制层上外延生长量子阱有源层；
本实施例中，作为一可选实施例，量子阱有源层包括：单量子阱有源层、多量子阱有源层、应变量子阱有源层、量子线有源层以及量子点有源层。作为另一可选实施例，所有类型的量子阱有源层均为不掺杂量子阱有源层。
本实施例中，VCSEL发射的激光波长为量子阱有源层产生并输出的激光波长，激光波长与量子阱有源层的材料组分以及量子阱有源层的厚度相关。因而，在具体应用中，可以依据需要的激光波长设置相应的量子阱有源层的材料组分以及量子阱有源层的厚度。
本实施例中，作为一可选实施例，不掺杂量子阱有源层包括两组相同的不掺杂量子阱有源子层，每一不掺杂量子阱有源子层包括：第一厚度的不掺杂镓砷子层以及第二厚度的不掺杂铝镓砷子层。作为一可选实施例，不掺杂镓砷子层厚度为6纳米，不掺杂铝镓砷子层厚度为8纳米，铝含量为30％的。其中，第一组不掺杂量子阱有源子层中的不掺杂镓砷子层外延生长在第一限制层上，第一组不掺杂量子阱有源子层中的不掺杂铝镓砷子层外延生长在不掺杂镓砷子层上；第二组不掺杂量子阱有源子层外延生长在第一组不掺杂量子阱有源子层上。
本实施例中，可以利用各种不同组分的三元或四元化合物半导体，例如，AlxGa1- xAs/GaAs、InxGa1-xAs/GaAs、InGaAsP/InP、GaAlAsSb/GaSb、AlGaN/GaN等，在第一限制层上进行外延生长形成具有分层外延结构量子阱有源层。
步骤105，在量子阱有源层上外延生长第二限制层；
本实施例中，作为一可选实施例，第二限制层为不掺杂第二限制层或轻掺杂第二限制层。
本实施例中，作为一可选实施例，第二限制层包括：非渐变第二限制子层以及渐变第二限制子层，其中，
非渐变第二限制子层外延生长在量子阱有源层上；
渐变第二限制子层外延生长在非渐变第二限制子层上。
作为一可选实施例，以不掺杂第二限制层为不掺杂铝镓砷第二限制层为例，非渐变第二限制子层为一铝含量为30％的铝镓砷层，厚度20纳米；
渐变第二限制子层为一铝含量从30％渐变到60％的铝镓砷层，厚度87纳米。
本实施例中，作为一可选实施例，不掺杂铝镓砷第二限制层还可以是铝含量高(例如，高于60％)的铝镓砷层，例如，Al0.94-0.99Ga0.06-0.01As。也可以是铝含量较低(例如，低于30％)的铝镓砷层。
作为一可选实施例，可以利用砷化镓、与砷化镓晶格常数匹配的材料，例如，铝镓砷、铟铝磷、铟镓铝磷、镓铟氮砷等进行外延生长形成第二限制层。
本实施例中，第一限制层和第二限制层用于使电子和空穴限制在量子阱有源层，以提高量子阱的发光效率，其中，量子阱有源层包含有多个量子阱；以及，调节量子阱有源层中谐振腔的空间，使谐振波长为VCSEL发射出的激光波长。
步骤106，在第二限制层上外延生长第二DBR；
本实施例中，作为一可选实施例，第二DBR为P型渐变型掺杂DBR。
本实施例中，作为一可选实施例，P型渐变型掺杂DBR为P型渐变型掺碳DBR。
本实施例中，作为一可选实施例，第二DBR包括22组依次相连的P型子层DBR，其中，每组P型子层DBR包括：第一渐变P型子层、第一非渐变P型子层、第二渐变P型子层以及第二非渐变P型子层，其中，
第一渐变P型子层外延生长在第二限制层上；
第一非渐变P型子层外延生长在第一渐变P型子层上；
第二渐变P型子层外延生长在第一非渐变P型子层上；
第二非渐变P型子层外延生长在第二渐变P型子层上。
作为一可选实施例，第一渐变P型子层为一铝含量从90％渐变到12％的铝镓砷(AlxGa1-xAs，x＝0.9)层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第一非渐变P型子层为一铝含量为12％的铝镓砷(AlxGa1-xAs，x＝0.12)层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度39纳米；
第二渐变P型子层为一铝含量从12％渐变到90％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度50纳米；
第二非渐变P型子层一铝含量为90％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度50纳米。
本实施例中，作为一可选实施例，依据上式结构制作的P型渐变型掺碳DBR的反射率在99.95％以上。
本实施例中，作为一可选实施例，利用砷化镓、或者和砷化镓晶格常数匹配的铝镓砷、铟铝磷、铟镓铝磷、镓铟氮砷等，在第二限制层上进行外延生长以形成具有分层外延结构的第二DBR。
本实施例中，电流注入到量子阱有源层，产生电子和空穴的复合发光，经第一DBR以及第二DBR的多次反射增强产生激光。
步骤107，在第二DBR上外延生长复合接触层；
本实施例中，作为一可选实施例，复合接触层为p型复合电极接触层。复合接触层生长在第二个DBR上为了形成良好的欧姆接触。作为一可选实施例，复合接触层由渐变、非渐变铝镓砷层和砷化镓层组成。
本实施例中，作为一可选实施例，可以利用砷化镓、或者和砷化镓晶格常数匹配的铝镓砷、铟铝磷、铟镓铝磷、镓铟氮砷等进行外延生长形成复合接触层。
本实施例中，可以利用金属有机化学汽相淀积(MOCVD，Metal OrganizedChemical Vapor Deposition)或分子束外延(MBE，Molecular Beam Epitaxial)技术外延生长缓冲层、DBR、限制层、量子阱有源层和复合接触层等。
本实施例中，在生长形成用以形成欧姆接触的复合接触层后，完成全部外延层结构生长流程。
步骤108，在复合接触层上淀积绝缘介质掩模层；
本实施例中，作为一可选实施例，绝缘介质掩模层可以是氧化物层，也可以是其他绝缘介质层。氧化物层包括但不限于：二氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层。
本实施例中，绝缘介质掩模层用于掩蔽后续流程中的台面，以在后续流程进行的腐蚀工艺中，保护台面不被腐蚀，而台面以外没有绝缘介质掩模层的区域将被腐蚀。
作为一可选实施例，氧化物层厚度为10-100纳米。作为另一可选实施例，氧化物层厚度为50-500纳米。
步骤109，在绝缘介质掩模层上光刻台面图案；
步骤110，用干法或湿法腐蚀没有绝缘介质掩模层的区域形成台面；
本实施例中，作为一可选实施例，刻蚀或腐蚀后的台面厚度为1-5微米。
步骤111，淀积绝缘介质掩模层并刻蚀，形成围绕台面的绝缘介质掩模侧墙；
本实施例中，淀积氧化物层或其它介质层，刻蚀氧化物层或其它介质层以形成围绕台面的氧化物或其它介质的侧墙。作为一可选实施例，淀积10-100纳米氧化物层并刻蚀形成氧化物侧墙。
作为一可选实施例，利用氧化硅、氮化硅、氧化铝等形成绝缘介质掩模侧墙。
本实施例中，通过在台面四周形成绝缘介质掩模侧墙，由于腐蚀铝镓砷的腐蚀液不会腐蚀绝缘介质掩模侧墙，因而，可以在进行侧向腐蚀铝镓砷材料时，绝缘介质掩模侧墙能够有效保护台面的四周不被腐蚀。
步骤112，采用各向同性进行部分侧向腐蚀，形成通光孔；
本实施例中，采用各向同性刻蚀技术，对台面以外区域纵向腐蚀的同时在台面下方的外圆区域进行部分横向腐蚀，以在台面下未被腐蚀的中间区域形成所要求尺寸的通光孔。
本实施例中，刻蚀技术是利用湿法化学腐蚀和具有化学腐蚀和物理反应的干法腐蚀方法完成，具有适应性强、表面均匀性好、对硅片损伤少等优点。包括但不限于：干法腐蚀或湿法腐蚀。
本实施例中，在腐蚀完成后淀积薄层介质材料以饱和横向腐蚀造成的悬挂键。例如，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition)、电子束蒸发、溅射、原子层沉积(ALD，Atomic Layer Deposition)或涂覆等方式进行VCSEL侧向的无机或有机介质的淀积，以饱和侧向腐蚀造成的悬挂键，以形成VCSEL对于电和光的限制，并在台面下的中间部分形成通光孔，该通光孔面积比台面面积小。由于可以精确控制腐蚀速率，因而能够精准控制用于限流的通光孔面积，有效提升VCSEL的合格率，降低生产VCSEL的成本。本实施例中，薄层介质的厚度为0.1-100纳米。
本实施例中，作为一可选实施例，通光孔直径为50-2微米。作为另一可选实施例，通光孔孔径尺寸在1-200微米内。
本实施例中，作为一可选实施例，横向腐蚀深度为1-50微米。
步骤113，应力消除以及平坦化处理；
本实施例中，作为一可选实施例，应力消除以及平坦化处理包括：
A11，对采用各向同性进行部分横向腐蚀的区域进行消除损伤和应力的钝化和退火处理；本实施例中，作为一可选实施例，利用湿法轻腐蚀去除薄层损伤，在惰性气氛或弱还原性气氛中执行退火处理。
本实施例中，作为一可选实施例，退火温度设置为300-800℃。
A12，对VCSEL进行平坦化处理。
本实施例中，作为一可选实施例，采用苯并环丁烯(BCB，Benzocyclobutene)或聚酰亚胺涂覆、填充和大面积刻蚀以达到VCSEL的平坦化。
步骤114，在台面上表面制作第一电极接触层；
本实施例中，通过刻蚀接触孔和淀积复合金属，例如，金/锌/金制作第一电极接触层，或者，通过钛/铂/金等P型接触金属化制作第一电极接触层(上电极金属接触层)。
步骤115，对衬底背面进行减薄处理；
本实施例中，作为一可选实施例，通过减薄处理，使得整个半导体衬底(基片)减薄至200-50微米。
步骤116，在减薄后的衬底背面制作第二电极接触层。
本实施例中，作为一可选实施例，进行背面减薄和制作背面电极金属接触，或第二电极接触层(下电极)与第一电极接触层同向的下电极共面电极金属化(Au/Ge/Ni/Au)。
本实施例中，通过在衬底上表面外延生长缓冲层；在缓冲层上外延生长第一DBR；在第一DBR上外延生长第一限制层；在第一限制层上外延生长量子阱有源层；在量子阱有源层上外延生长第二限制层；在第二限制层上外延生长第二DBR；在第二DBR上外延生长复合接触层；在复合接触层上淀积绝缘介质掩模层；在绝缘介质掩模层上光刻台面图案；刻蚀台面图案形成台面；淀积绝缘介质掩模层并刻蚀，形成围绕台面的绝缘介质掩模侧墙；采用各向同性进行部分横向腐蚀，形成通光孔。这样，依靠对台面形成氧化物的侧墙，然后对台面下的材料采用各向同性进行横向腐蚀和异质材料填充，从而可以精确控制通光孔径，进而提升制造的VCSEL的合格率，有效降低生产VCSEL的成本；同时，通过各向同性进行横向腐蚀和异质材料填充得到的电流限制层，与周边的半导体材料的晶格差异小，且不会形成附加电容，也进一步提升了VCSEL的稳定性和可靠性。
图2为本申请实施例提供的垂直腔面发射激光器的结构示意图。如图2所示，该垂直腔面发射激光器包括：衬底201以及在所述衬底201上依次外延生长形成的生长缓冲层202、第一分布布拉格反射镜DBR203、第一限制层204、量子阱有源层205、第二限制层206、第二DBR207、复合接触层208；
在复合接触层208上淀积形成的绝缘介质掩模层209；
在绝缘介质掩模层209刻蚀形成的台面210；
淀积绝缘介质掩模层210并刻蚀形成的围绕台面210的绝缘介质掩模侧墙211；
采用各向同性进行部分侧向腐蚀形成的通光孔212；
形成于台面210表面上的第一电极接触层213；
形成于衬底201减薄后背面的第二电极接触层214。
本实施例中，在第二DBR上生长90％-12％渐变、12％非渐变铝镓砷层和镓砷层，均为P型掺杂的复合接触层；在复合接触层上淀积绝缘介质层，所述绝缘介质掩模层包括：二氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层。衬底201可以掺杂，包括：N型掺杂衬底、P型掺杂衬底以及半绝缘衬底。作为一可选实施例，掺杂为掺硅，掺硅浓度为1×1019/cm3。
本实施例中，作为一可选实施例，缓冲层202为n型掺杂缓冲层，制作在衬底上，掺杂浓度为2.5×1018/cm3，厚度200纳米。
本实施例中，作为一可选实施例，第一DBR203包括34组依次相连的n型子层DBR，其中，每组n型子层DBR包括：在缓冲层上依次外延生长形成的第一渐变n型子层、第一非渐变n型子层、第二渐变n型子层以及第二非渐变n型子层。
本实施例中，作为一可选实施例，第一渐变n型子层为一铝含量从12％渐变到90％的铝镓砷(AlxGa1-xAs，x＝0.12)层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第一非渐变n型子层为一铝含量为90％的铝镓砷(AlxGa1-xAs，x＝0.90)层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度50纳米；
第二渐变n型子层为一铝含量从90％渐变到12％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第二非渐变n型子层一铝含量为12％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度39纳米。
本实施例中，作为一可选实施例，第一限制层204包括：在第一DBR上依次外延生长形成的渐变第一限制子层以及非渐变第一限制子层。
作为一可选实施例，以不掺杂第一限制层为不掺杂铝镓砷第一限制层为例，渐变第一限制子层为一铝含量从60％渐变到30％的铝镓砷层，厚度87纳米；
非渐变第一限制子层为一铝含量为30％的铝镓砷层，厚度20纳米。
本实施例中，作为一可选实施例，量子阱有源层205包括：单量子阱有源层、多量子阱有源层、应变量子阱有源层、量子线有源层以及量子点有源层。作为一可选实施例，所有类型的量子阱有源层均为不掺杂量子阱有源层。
本实施例中，作为一可选实施例，量子阱有源层205包括两组相同的不掺杂量子阱有源子层，每一不掺杂量子阱有源子层包括：在第一限制层上依次外延生长形成的第一厚度的不掺杂镓砷子层以及第二厚度的不掺杂铝镓砷子层。作为一可选实施例，不掺杂镓砷子层厚度为6纳米，不掺杂铝镓砷子层厚度为8纳米，铝含量为30％的。
作为一可选实施例，第二限制层206包括：非渐变第二限制子层以及渐变第二限制子层，其中，
非渐变第二限制子层外延生长在量子阱有源层上；
渐变第二限制子层外延生长在非渐变第二限制子层上。
以不掺杂第二限制层为不掺杂铝镓砷第二限制层为例，非渐变第二限制子层为一铝含量为30％的铝镓砷层，厚度20纳米；
渐变第二限制子层为一铝含量从30％渐变到60％的铝镓砷层，厚度87纳米。
本实施例中，作为一可选实施例，第二DBR207包括22组依次相连的P型子层DBR，其中，每组P型子层DBR包括：在第二限制层上依次外延生长形成的第一渐变P型子层、第一非渐变P型子层、第二渐变P型子层以及第二非渐变P型子层。
作为一可选实施例，第一渐变P型子层为一铝含量从90％渐变到12％的铝镓砷(AlxGa1-xAs，x＝0.9)层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第一非渐变P型子层为一铝含量为12％的铝镓砷(AlxGa1-xAs，x＝0.12)层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度39纳米；
第二渐变P型子层为一铝含量从12％渐变到90％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度50纳米；
第二非渐变P型子层一铝含量为90％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度50纳米。
所应说明的是，以上所述的外延材料结构仅是所举的实例，可以根据不同波长要求设计各种三元或四元化合物半导体材料，外延不同的组分和不同的厚度，形成一定结构的外延片。本发明的器件结构适用于各种不同材料结构的外延片。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种制作垂直腔面发射激光器的方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底上表面外延生长缓冲层；
在缓冲层上外延生长第一分布布拉格反射镜DBR；
在第一DBR上外延生长第一限制层；
在第一限制层上外延生长量子阱有源层；
在量子阱有源层上外延生长第二限制层；
在第二限制层上外延生长第二DBR；
在第二DBR上外延生长复合接触层；
在复合接触层上淀积绝缘介质掩模层；
在绝缘介质掩模层上光刻台面图案；
用干法或湿法腐蚀没有绝缘介质掩模层的区域形成台面；
淀积绝缘介质掩模层并刻蚀，形成围绕台面的绝缘介质掩模侧墙；
采用各向同性进行部分侧向腐蚀，形成通光孔；
应力消除以及平坦化处理；
在台面上表面制作第一电极接触层；
对衬底背面进行减薄处理；
在减薄后的背面制作第二电极接触层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用砷化镓、磷化铟、氮化镓或锑化铟制作所述衬底，所述衬底包括：N型掺杂衬底、P型掺杂衬底以及半绝缘衬底。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一DBR包括34组依次相连的n型子层DBR，其中，每组n型子层DBR包括：第一渐变n型子层、第一非渐变n型子层、第二渐变n型子层以及第二非渐变n型子层，其中，
第一渐变n型子层外延生长在缓冲层上；
第一非渐变n型子层外延生长在第一渐变n型子层上；
第二渐变n型子层外延生长在第一非渐变n型子层上；
第二非渐变n型子层外延生长在第二渐变n型子层上。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一渐变n型子层为一铝含量从12％渐变到90％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第一非渐变n型子层为一铝含量为90％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度50纳米；
第二渐变n型子层为一铝含量从90％渐变到12％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度20纳米；
第二非渐变n型子层一铝含量为12％的铝镓砷层，掺杂浓度是2×1018/cm3，厚度39纳米。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用砷化镓、铝镓砷、铟镓磷、铟铝磷、铟镓铝磷或镓铟氮砷制作所述第一DBR。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一限制层包括：渐变第一限制子层以及非渐变第一限制子层，其中，
渐变第一限制子层外延生长在第一DBR上；
非渐变第一限制子层外延生长在渐变第一限制子层上。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述渐变第一限制子层为一铝含量从60％渐变到30％的铝镓砷层，厚度87纳米；
非渐变第一限制子层为一铝含量为30％的铝镓砷层，厚度20纳米。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述量子阱有源层包括两组相同的不掺杂量子阱有源子层，每一不掺杂量子阱有源子层包括：第一厚度的不掺杂镓砷子层以及第二厚度的不掺杂铝镓砷子层，其中，第一组的不掺杂镓砷子层外延生长在第一限制层上，第一组的不掺杂铝镓砷子层外延生长在不掺杂镓砷子层上，第二组外延生长在第一组上。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二限制层包括：非渐变第二限制子层以及渐变第二限制子层，其中，
非渐变第二限制子层外延生长在量子阱有源层上；
渐变第二限制子层外延生长在非渐变第二限制子层上。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二DBR包括22组依次相连的P型子层DBR，其中，每组P型子层DBR包括：第一渐变P型子层、第一非渐变P型子层、第二渐变P型子层以及第二非渐变P型子层，其中，
第一渐变P型子层外延生长在第二限制层上；
第一非渐变P型子层外延生长在第一渐变P型子层上；
第二渐变P型子层外延生长在第一非渐变P型子层上；
第二非渐变P型子层外延生长在第二渐变P型子层上。
11.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述垂直腔面发射激光器包括：衬底以及在所述衬底上依次外延生长形成的生长缓冲层、第一分布布拉格反射镜DBR、第一限制层、量子阱有源层、第二限制层、第二DBR、复合接触层；
在第二DBR上生长90％-12％渐变、12％非渐变铝镓砷层和镓砷层，均为P型掺杂的复合接触层；
在复合接触层上淀积绝缘介质层，所述绝缘介质掩模层包括：二氧化硅层、氮化硅层、氧化铝层；
在绝缘介质掩模层刻蚀形成的台面；
淀积绝缘介质掩模层并刻蚀形成的围绕台面的绝缘介质掩模侧墙；
采用各向同性进行部分侧向腐蚀形成的通光孔；
形成于台面上表面的第一电极接触层；
形成于减薄后衬底背面的第二电极接触层。
12.根据权利要求11所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一DBR包括34组依次相连的n型子层DBR，其中，每组n型子层DBR包括：在缓冲层上依次外延生长形成的第一渐变n型子层、第一非渐变n型子层、第二渐变n型子层以及第二非渐变n型子层。
13.根据权利要求11所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第一限制层包括：在第一DBR上依次外延生长形成的渐变第一限制子层以及非渐变第一限制子层。
14.根据权利要求11所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述量子阱有源层包括两组相同的不掺杂量子阱有源子层，每一不掺杂量子阱有源子层包括：在第一限制层上依次外延生长形成的第一厚度的不掺杂镓砷子层以及第二厚度的不掺杂铝镓砷子层。
15.根据权利要求11所述的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述第二DBR包括22组依次相连的P型子层DBR，其中，每组P型子层DBR包括：在第二限制层上依次外延生长形成的第一渐变P型子层、第一非渐变P型子层、第二渐变P型子层以及第二非渐变P型子层。
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