CN108847573A - 垂直腔面发射激光器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光器技术领域，提供了一种垂直腔面发射激光器的制作方法，包括如下步骤：S1～S4四个步骤。还包括一种垂直腔面发射激光器。本发明通过将待刻区做成倒梯形台体可以起到限制电流的作用，将待刻区做成圆柱体可以控制工艺精度，方便后续工艺制作，将待刻区做成正梯形台体可以有利于后续制作电极时的金属接触以及有效降低电阻，而且该正梯形台体结构也可以使外延应力不容易集中某一处，对激光器的电性能有积极作用。

Description

垂直腔面发射激光器及其制作方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体为垂直腔面发射激光器及其制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器由于单纵模、输出圆形光斑等特点，使其应用越来越广泛。长期以来，垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，以下简称VCSEL)一直处于低功率水平，使这种器件的应用受到极大的制约，直到最近几年VCSEL材料生长与制备技术的发展才使其功率水平开始得到大幅度的提高，从而为VCSEL激光器的应用发展开辟了广阔的前景。尤其是2017年苹果公司宣布iphone8采用VCSEL半导体激光器技术，VCSEL更是引起广泛关注。业界认为VCSEL产品进入苹果产业链不仅是产业公司业务的重大突破，更是以VCSEL技术为代表的半导体激光技术在消费领域的重大突破。VCSEL激光器迎来了新一轮高增长期，随着VCSEL的研究深入以及应用需求的拓展，市场对其光电特性的要求也会越来越高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种垂直腔面发射激光器及其制作方法，将待刻区做成倒梯形台体可以起到限制电流的作用，将待刻区做成圆柱体可以控制工艺精度，方便后续工艺制作，将待刻区做成正梯形台体可以有利于后续制作电极时的金属接触以及有效降低电阻，而且该正梯形台体结构也可以使外延应力不容易集中某一处，对激光器的电性能有积极作用。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种垂直腔面发射激光器的制作方法，包括如下步骤：
S1，在衬底上依次外延生长缓冲层、N型布拉格反射镜组、有源层、氧化层、P型布拉格反射镜组、P型接触层以及掩膜；
S2，对待刻区采用刻蚀装置进行刻蚀，所述待刻区由所述掩膜、所述P型接触层、所述P型布拉格反射镜组、所述氧化层以及所述有源层组成；
S3，调节所述刻蚀装置的工作功率，将所述待刻区刻蚀形成倒梯形台体、圆柱体或正梯形台体；
S4，采用光刻和溅射工艺在所述衬底远离所述缓冲层的一侧制作N电极，并在所述掩膜的外表面上制作P电极，以完成激光器的制作。
进一步，所述S3步骤中的倒梯形台体或所述圆柱体获得的方法具体为：采用所述刻蚀装置通入刻蚀气体，所述刻蚀气体包括Cl2和Ar，采用所述Cl2对所述待刻区进行各向同性的化学刻蚀，同时采用Ar对所述待刻区进行各向异性的物理刻蚀，垂直轰击所述待刻区，以获得所述倒梯形台体或圆柱体。
进一步，所述S3步骤中的正梯形台体获得的方法具体为：采用所述刻蚀装置通入保护气体，所述保护气体包括H2和CH4，采用所述H2和CH4将刻蚀中形成的聚合物沉积在刻蚀图形侧壁，阻止侧壁的刻蚀，以获得所述正梯形台体。
进一步，所述S3步骤反应2～10min后，采用O2plasma刻蚀除去产生的多余的所述聚合物。
进一步，采用所述刻蚀装置控制所述气体的ICP刻蚀功率，所述ICP刻蚀功率的范围在300～1500W之间，输出的功率越大所述待刻区的形状越趋向于倒梯形台体。
进一步，采用所述刻蚀装置控制所述气体的RF射频功率，所述RF射频功率的范围在80～200W之间，输出的功率越小所述待刻区的形状越趋向于正梯形台体。
进一步，所述刻蚀装置中所采用的刻蚀材料为GaAs或AlGaAs。
进一步，所述倒梯形台体的底部与水平面的夹角为70°，所述圆柱体的底部与水平面的夹角为90°，所述正梯形台体的底部与水平面的夹角为110°。
本发明实施例提供另一种技术方案：一种垂直腔面发射激光器，包括衬底，所述衬底上依次沉积有外延生长缓冲层、N型布拉格反射镜组、有源层、氧化层、P型布拉格反射镜组、P型接触层以及掩膜，所述掩膜、所述P型接触层、所述P型布拉格反射镜组、所述氧化层以及所述有源层形成待刻区，所述掩膜的两侧均有至少部分贴合所述N型布拉格反射镜组，刻蚀后所述待刻区形成倒梯形台体、圆柱体或正梯形台体。
进一步，所述掩膜为SiO2或SiNx。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将待刻区做成倒梯形台体可以起到限制电流的作用，将待刻区做成圆柱体可以控制工艺精度，方便后续工艺制作，将待刻区做成正梯形台体可以有利于后续制作电极时的金属接触以及有效降低电阻，而且该正梯形台体结构也可以使外延应力不容易集中某一处，对激光器的电性能有积极作用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的制作方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种垂直腔面发射激光器的待刻区刻蚀后的三种形态结构示意图；
附图标记中：1-N电极；2-衬底；3-缓冲层；4-N型布拉格反射镜组；5-有源层；6-氧化层；7-P型布拉格反射镜组；8-P型接触层；9-刻蚀后的待刻区；10-掩膜；11-P电极；a-倒梯形台体；b-圆柱体；c-正梯形台体。
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。
请参阅图1，本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器的制作方法，包括如下步骤：S1，在衬底2上依次外延生长缓冲层3、N型布拉格反射镜组4、有源层5、氧化层6、P型布拉格反射镜组7、P型接触层8以及掩膜10；S2，对待刻区采用刻蚀装置进行刻蚀，所述待刻区由所述掩膜10、所述P型接触层8、所述P型布拉格反射镜组7、所述氧化层6以及所述有源层5组成；S3，调节所述刻蚀装置的工作功率，将所述待刻区刻蚀形成倒梯形台体a、圆柱体b或正梯形台体c；S4，采用光刻和溅射工艺在所述衬底2远离所述缓冲层3的一侧制作N电极1，并在所述掩膜10的外表面上制作P电极11，以完成激光器的制作。在本实施例中，所述掩膜10、所述P型接触层8、所述P型布拉格反射镜组7、所述氧化层6以及所述有源层5，这几层一起组合成待刻区，采用刻蚀装置对该待测区进行刻蚀，并通过调节刻蚀装置的工作功率和气体流量，从而可以将待刻区刻蚀成三种不同的形状中的一种，即刻蚀后的待刻区9的形状，其中一个是倒梯形台体a，即其竖截面为倒梯形的圆台，该结构能够使得本激光器有限制电流的作用，另一个是圆柱体b结构，即其竖截面为长方形的圆柱，该结构较为简单，易于生成，因此可以极好的控制工艺精度，方便后续其他方面的制作，第三种是正梯形结构，即其竖截面为正梯形的圆台，该结构有利于后续制作电极时的金属接触以及有效降低电阻，而且该正梯形台体c结构还可以使外延应力不容易集中某一处，对本激光器的电性能有积极作用。在本方法中，刻蚀选择比可以控制在1:3到1:15。优选的，掩膜10材料可以为SiO2，也可以为SiNx，掩膜10层的厚度在3000～8000A。
作为本发明实施例的优化方案，所述S3步骤中的倒梯形台体a或所述圆柱体b获得的方法具体为：采用所述刻蚀装置通入刻蚀气体，所述刻蚀气体包括Cl2和Ar，采用所述Cl2对所述待刻区进行各向同性的化学刻蚀，同时采用Ar对所述待刻区进行各向异性的物理刻蚀，垂直轰击所述待刻区，以获得所述倒梯形台体a或圆柱体b。在本实施例中，Cl2为有效刻蚀气体，主要进行各向同性的化学刻蚀，Ar为辅助刻蚀气体，主要进行各向异性的物理刻蚀，其垂直轰击待刻区，以减少Cl2对水平方向(图2中所示的方向)上的刻蚀效果，其中Cl2的流量设定在4～20sccm，Ar的流量设定在20～60sccm，采用它们即可获得倒梯形台体a或圆柱体b，即其竖截面为倒梯形的圆台，或为长方形的圆柱。当然除了采用上述Cl2和Ar，还可以采用Cl2和BCl3的组合，其中Cl2依然为主要刻蚀气体，其流量越大，化学刻蚀的作用越强，侧向腐蚀越多，即可获得倒梯形或正方形；除此以外，还可以采用Ar和BCl3的组合，此时Ar为主要刻蚀气体，它的流量越大，物理轰击越强。这两种刻蚀的原理是，BCl3经过加射频被离化，离化产物中含有大量的BCl3 +和BCl2-，质量大于Ar+，因此能够以更低的离子能量达到相同溅射效果，有助于实现低损伤的刻蚀。而且Cl基气体中加入BCl3后可以有效地去除等离子体中的O，以改善表面形貌。
同样的，所述S3步骤中的正梯形台体c获得的方法具体为：采用所述刻蚀装置通入保护气体，所述保护气体包括H2和CH4，采用所述H2和CH4将刻蚀中形成的聚合物沉积在刻蚀图形侧壁，阻止侧壁的刻蚀，以获得所述正梯形台体c。在本实施例中，利用这两种气体的特性，在上述刻蚀气体进行刻蚀的过程中形成聚合物以沉积在刻蚀图形侧壁上，以阻止侧壁的腐蚀，从而可以获得正梯形台体c，即其竖截面为正梯形的圆台，H2或CH4的流量控制在2～10sccm。
进一步优化上述方案，所述S3步骤反应2～10min后，采用O2plasma刻蚀除去产生的多余的所述聚合物。在本实施例中，由于加入了H2或CH4后，会持续不断地产生聚合物，特别是当连续刻蚀2～10min后，会出现较多的多余的聚合物，它们会沉积在刻蚀图形侧壁上，阻挡刻蚀，也就是物极必反，太多了反而会有影响，因此在沉积聚合物2～10min后，需要采用O2plasma刻蚀(氧离子刻蚀)将多余的聚合物去除，该步骤中设定的O2的流量控制在20～60sccm之间，腔压控制在5～50mTorr之间，RF射频功率控制在80～200W之间，ICP刻蚀功率为0。
作为本发明实施例的优化方案，所述S3步骤中的所述刻蚀装置为ICP反应装置，采用所述ICP反应装置中的刻蚀气体和保护气体作用在所述待刻区上以形成倒梯形台体a、圆柱体b或正梯形台体c。在本实施例中，采用的ICP反应装置进行ICP(电感耦合等离子体)刻蚀，该装置具体为Oxford PlasmaPro100，其内的刻蚀温度控制在20～200℃，温度越高刻蚀速率越快，腔压为4mTorr，通过ICP反应装置内产生的具有较高轰击能量和反应能量的等离子体对待刻区进行轰击和反应，利用刻蚀气体和保护气体之间的配合以完成三种形态的结构的刻蚀。通过控制ICP反应装置的腔体中各向同性的化学刻蚀和各向异性的物理刻蚀比例，以得到倒梯形台体a、圆柱体b或正梯形台体c。作为本发明实施例的优化方案，采用所述刻蚀装置控制所述刻蚀气体和保护气体的ICP源刻蚀功率，所述ICP刻蚀功率的范围在300～1500W之间，输出的功率越大所述待刻区的形状越趋向于倒梯形台体a；采用所述刻蚀装置控制所述刻蚀气体和保护气体的RF射频功率，所述RF射频功率的范围在80～200W之间，输出的功率越小所述待刻区的形状越趋向于正梯形台体c。在本实施例中，通过控制ICP刻蚀功率和RF(射频)功率，可以选择制备出上述三种状态结构中的哪一种结构，例如，因ICP刻蚀功率用于控制腔体中离子浓度进而更多的产生各向同性的化学刻蚀，所以ICP刻蚀功率越大，刻蚀后的形状由圆柱体b越趋向于倒梯形台体a，而因RF(射频)功率用于控制腔体中离子垂直轰击能量进而更多的产生各向异性的物理刻蚀，所以RF(射频)功率越小，刻蚀后的形状越趋向于正梯形台体c。因此可以根据实际情况中需要的功能，由此来控制需要获得的形状。
作为本发明实施例的优化方案，所述ICP反应装置中所采用的刻蚀材料为GaAs或AlGaAs。在本实施例中，本发明采用的刻蚀材料限定了其制备的激光器的特性，它跟现有的二极管等半导体完全不同。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图3，所述倒梯形台体a的底部与水平面的夹角为70°，所述圆柱体b的底部与水平面的夹角为90°，所述正梯形台体c的底部与水平面的夹角为110°。在实施例中，这几个夹角的结构是最优的结构，但不限定与水平面之间的其他夹角的梯形、长方形以及正梯形。
本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器，上述方法中提到的所有特征均在本实施例中适用。本激光器包括衬底2，所述衬底2上依次沉积有外延生长缓冲层3、N型布拉格反射镜组4、有源层5、氧化层6、P型布拉格反射镜组7、P型接触层8以及掩膜10，所述掩膜10、所述P型接触层8、所述P型布拉格反射镜组7、所述氧化层6以及所述有源层5形成待刻区，所述掩膜10的两侧均有至少部分贴合所述N型布拉格反射镜组4，刻蚀后所述待刻区形成倒梯形台体a、圆柱体b或正梯形台体c。在本实施例中，所述掩膜10、所述P型接触层8、所述P型布拉格反射镜组7、所述氧化层6以及所述有源层5，这几层一起组合成待刻区，采用刻蚀装置对该待测区进行刻蚀，在刻蚀的过程中，如图2所示，掩膜10会贴合刻蚀的部分，于是其两端会有部分与N型布拉格反射镜组4贴合。通过调节刻蚀装置的工作功率，从而可以将待刻区刻蚀成三种不同的形状中的一种，其中一个是倒梯形台体a，即其竖截面为倒梯形的圆台，该结构能够使得本激光器有限制电流的作用，另一个是圆柱体b结构，即其竖截面为长方形的圆柱，该结构较为简单，易于生成，因此可以极好的控制工艺精度，方便后续其他方面的制作，第三种是正梯形结构，即其竖截面为正梯形的圆台，该结构有利于后续制作电极时的金属接触以及有效降低电阻，而且该正梯形台体c结构还可以使外延应力不容易集中某一处，对本激光器的电性能有积极作用。
作为本发明实施例的优化方案，掩膜10材料可以为SiO2，也可以为SiNx，掩膜10层的厚度在3000～8000A。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，在衬底上依次外延生长缓冲层、N型布拉格反射镜组、有源层、氧化层、P型布拉格反射镜组、P型接触层以及掩膜；
S2，对待刻区采用刻蚀装置进行刻蚀，所述待刻区由所述掩膜、所述P型接触层、所述P型布拉格反射镜组、所述氧化层以及所述有源层组成；
S3，调节所述刻蚀装置的工作功率，将所述待刻区刻蚀形成倒梯形台体、圆柱体或正梯形台体；
S4，采用光刻和溅射工艺在所述衬底远离所述缓冲层的一侧制作N电极，并在所述掩膜的外表面上制作P电极，以完成激光器的制作。
2.如权利要求1所述的一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述S3步骤中的倒梯形台体或所述圆柱体获得的方法具体为：采用所述刻蚀装置通入刻蚀气体，所述刻蚀气体包括Cl2和Ar，采用所述Cl2对所述待刻区进行各向同性的化学刻蚀，同时采用Ar对所述待刻区进行各向异性的物理刻蚀，垂直轰击所述待刻区，以获得所述倒梯形台体或圆柱体。
3.如权利要求1所述的一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述S3步骤中的正梯形台体获得的方法具体为：采用所述刻蚀装置通入保护气体，所述保护气体包括H2和CH4，采用所述H2和CH4将刻蚀中形成的聚合物沉积在刻蚀图形侧壁，阻止侧壁的刻蚀，以获得所述正梯形台体。
4.如权利要求3所述的一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于，所述S3步骤反应2～10min后，采用O2plasma刻蚀除去产生的多余的所述聚合物。
5.如权利要求2或权利要求3所述的一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于：采用所述刻蚀装置控制ICP源刻蚀功率，所述ICP源刻蚀功率的范围在300～1500W之间，输出的功率越大所述待刻区的形状越趋向于倒梯形台体。
6.如权利要求2或权利要求3所述的一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于：采用所述刻蚀装置控制RF射频功率，所述RF射频功率的范围在80～200W之间，输出的功率越小所述待刻区的形状越趋向于正梯形台体。
7.如权利要求2所述的一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于：所述刻蚀装置中所采用的刻蚀材料为GaAs或AlGaAs。
8.如权利要求1所述的一种垂直腔面发射激光器的制作方法，其特征在于：所述倒梯形台体的底部与水平面的夹角为70°，所述圆柱体的底部与水平面的夹角为90°，所述正梯形台体的底部与水平面的夹角为110°。
9.一种垂直腔面发射激光器，包括衬底，其特征在于：所述衬底上依次沉积有外延生长缓冲层、N型布拉格反射镜组、有源层、氧化层、P型布拉格反射镜组、P型接触层以及掩膜，所述掩膜、所述P型接触层、所述P型布拉格反射镜组、所述氧化层以及所述有源层形成待刻区，所述掩膜的两侧均有至少部分贴合所述N型布拉格反射镜组，刻蚀后所述待刻区形成倒梯形台体、圆柱体或正梯形台体。
10.如权利要求9所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述掩膜为SiO2或SiNx。
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