CN108879326B - 一种水平结构vcsel芯片及其制作方法和激光装置 - Google Patents

一种水平结构vcsel芯片及其制作方法和激光装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水平结构VCSEL芯片及其制作方法和激光装置，在降低水平结构VCSEL芯片制作难度的同时，将其第一电极和第二电极位于同侧，使得第一电极和第二电极之间电流仅需要在下DBR层背离衬底一侧表面和上DBR层朝向衬底一侧表面流动即可，而电流无需穿过下DBR层和上DBR层，降低了第一电极和第二电极之间电阻；此外，水平结构VCSEL芯片有利于芯片的散热，提高芯片性能。

Description

一种水平结构VCSEL芯片及其制作方法和激光装置
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，更为具体的说，涉及一种水平结构VCSEL芯片及其制作方法和激光装置。
背景技术
VCSEL（垂直腔面发射激光器，Vertical Cavity Surface Emitting Laser）是一种出光方向垂直于衬底的新型半导体激光器。VCSEL的基本结构由三部分组成：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。现有的VCSEL芯片工艺制作难度大，且现有的VCSEL芯片的电极触点之间的电阻较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种水平结构VCSEL芯片及其制作方法和激光装置，在降低水平结构VCSEL芯片制作难度的同时，将其第一电极和第二电极位于同侧，使得第一电极和第二电极之间电流仅需要在下DBR层背离衬底一侧表面和上DBR层朝向衬底一侧表面流动即可，而电流无需穿过下DBR层和上DBR层，降低了第一电极和第二电极之间电阻；此外，水平结构VCSEL芯片有利于芯片的散热，提高芯片性能。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种水平结构VCSEL芯片，包括：
衬底；
位于所述衬底一表面的下DBR层；
位于所述下DBR层背离所述衬底一侧表面上的接触层，所述接触层上形成有一镂空区，且所述接触层划分为靠近所述镂空区的绝缘部和远离所述镂空区的导电部；
位于所述镂空区内的有源层，所述绝缘部覆盖所述有源层的侧面；
位于所述绝缘部背离所述衬底一侧且覆盖所述有源层表面的导电层；
位于所述导电层背离所述衬底一侧且对应所述有源层所在区域的上DBR层；
以及，位于所述导电部背离衬底一侧的第一电极，及位于所述导电层背离所述衬底一侧且与所述上DBR层具有间隙的第二电极。
可选的，所述接触层为AlGaAs层，其中，所述AlGaAs层对应所述绝缘部为氧化部，及，所述AlGaAs层对应所述导电部为非氧化部。
可选的，所述有源层为InGaAs/GaAs超晶格有源层。
可选的，所述导电层为GaAs层。
可选的，所述下DBR层为N型DBR层，及，所述上DBR层为P型DBR层。
相应的，本发明还提供了一种水平结构VCSEL芯片的制作方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底一表面沉积下DBR层；
在所述下DBR层背离所述衬底一侧表面上沉积有源层；
在所述下DBR层背离所述衬底一侧的裸露表面沉积接触层，所述接触层划分为靠近所述有源层的绝缘部和远离所述有源层的导电部，所述绝缘部覆盖所述有源层的侧面；
在所述绝缘部背离所述衬底一侧沉积导电层，所述导电层覆盖所述有源层表面；
在所述导电层背离所述衬底一侧且对应所述有源层所在区域沉积上DBR层；
在所述导电部背离衬底一侧形成第一电极，及在所述导电层背离所述衬底一侧形成第二电极，其中，所述第二电极与所述上DBR层之间具有间隙。
可选的，所述有源层的制作方法包括：
在所述下DBR层上形成掩膜层，所述掩膜层上形成有一窗口区；
在所述下DBR层具有所述掩膜层的一侧上沉积有源材料；
去除所述掩膜层得到所述有源层。
可选的，所述有源层的制作方法包括：
在所述下DBR层背离所述衬底的表面沉积有源材料；
对所述有源材料进行刻蚀得到所述有源层。
可选的，所述接触层的制作方法包括：
在所述下DBR层背离所述衬底一侧的裸露表面沉积接触材料，且所述接触材料覆盖所述有源层的侧面；
在所述有源层背离所述衬底的表面，及在所述接触材料背离所述衬底且对应所述导电部的表面上形成保护层；
对所述接触材料对应所述绝缘部的部分进行氧化；
去除所述保护层得到所述接触层。
相应的，本发明还提供了一种激光装置，所述激光装置包括上述的水平结构VCSEL芯片。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种水平结构VCSEL芯片及其制作方法和激光装置，包括：衬底；位于所述衬底一表面的下DBR层；位于所述下DBR层背离所述衬底一侧表面上的接触层，所述接触层上形成有一镂空区，且所述接触层划分为靠近所述镂空区的绝缘部和远离所述镂空区的导电部；位于所述镂空区内的有源层，所述绝缘部覆盖所述有源层的侧面；位于所述绝缘部背离所述衬底一侧且覆盖所述有源层表面的导电层；位于所述导电层背离所述衬底一侧且对应所述有源层所在区域的上DBR层；以及，位于所述导电部背离衬底一侧的第一电极，及位于所述导电层背离所述衬底一侧且与所述上DBR层具有间隙的第二电极。
由上述内容可知，本发明提供的技术方案，在降低水平结构VCSEL芯片制作难度的同时，将其第一电极和第二电极位于同侧，使得第一电极和第二电极之间电流仅需要在下DBR层背离衬底一侧表面和上DBR层朝向衬底一侧表面流动即可，而电流无需穿过下DBR层和上DBR层，降低了第一电极和第二电极之间电阻；此外，水平结构VCSEL芯片有利于芯片的散热，提高芯片性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种水平结构VCSEL芯片的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种水平结构VCSEL芯片的制作方法的流程图；
图3-图9为图2中各步骤对应的结构示意图。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，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。现有的VCSEL芯片工艺制作难度大，且现有的VCSEL芯片的电极触点之间的电阻较大。
基于此，本申请实施例提供了一种水平结构VCSEL芯片及其制作方法和激光装置，在降低水平结构VCSEL芯片制作难度的同时，将其第一电极和第二电极位于同侧，使得第一电极和第二电极之间电流仅需要在下DBR层背离衬底一侧表面和上DBR层朝向衬底一侧表面流动即可，而电流无需穿过下DBR层和上DBR层，降低了第一电极和第二电极之间电阻；此外，水平结构VCSEL芯片有利于芯片的散热，提高芯片性能。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图9对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种水平结构VCSEL芯片的结构示意图，其中，水平结构VCSEL芯片包括：
衬底100；
位于所述衬底100一表面的下DBR层200；
位于所述下DBR层200背离所述衬底100一侧表面上的接触层400，所述接触层400上形成有一镂空区，且所述接触层400划分为靠近所述镂空区的绝缘部410和远离所述镂空区的导电部420；
位于所述镂空区内的有源层300，所述绝缘部410覆盖所述有源层300的侧面；
位于所述绝缘部410背离所述衬底100一侧且覆盖所述有源层300表面的导电层500；
位于所述导电层500背离所述衬底100一侧且对应所述有源层300所在区域的上DBR层600；
以及，位于所述导电部420背离衬底100一侧的第一电极710，及位于所述导电层500背离所述衬底100一侧且与所述上DBR层600具有间隙的第二电极720。
由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，在降低水平结构VCSEL芯片制作难度的同时，将其第一电极和第二电极位于同侧，使得第一电极和第二电极之间电流仅需要在下DBR层背离衬底一侧表面和上DBR层朝向衬底一侧表面流动即可，而电流无需穿过下DBR层和上DBR层，降低了第一电极和第二电极之间电阻；此外，水平结构VCSEL芯片有利于芯片的散热，提高芯片性能。
在本申请一实施例中，本申请提供的衬底的材质可以为GaAs材质，对此本申请不做具体限制，在本申请其他实施例中，衬底还可以为其他材质。
在本申请一实施例中，本申请提供的所述接触层为AlGaAs层，其中，所述AlGaAs层对应所述绝缘部为氧化部，及，所述AlGaAs层对应所述导电部为非氧化部，即，在制作接触层时，在下DBR层裸露表面上沉积AlGaAs材料，且沉积的AlGaAs材料覆盖有源层的侧面，而后，对靠近有源层的区域进行氧化处理得到绝缘部，以及，远离有源层且未进行氧化处理的区域为导电部，其中，本申请实施例对于绝缘部和导电部之间的界线位置并不做限定，需要根据实际应用进行具体划分。
在本申请一实施例中，本申请提供的所述有源层可以为InGaAs/GaAs超晶格有源层，其中，本申请实施例对于InGaAs/GaAs超晶格中InGaAs层和GaAs层的周期数不做具体限制，需要根据实际应用进行具体设计。
在本申请一实施例中，本申请提供的所述导电层为GaAs层，对此本申请不做具体限制，在本申请其他实施例中，导电层还可以为其他材质层。
在本申请一实施例中，本申请实施例提供的所述下DBR层为N型DBR层，及，所述上DBR层为P型DBR层；其中，位于导电部上的第一电极为N电极，及位于导电层上的第二电极为P电极。
相应于上述实施例提供的水平结构VCSEL芯片，本申请实施例还提供了一种水平结构VCSEL芯片的制作方法，结合制作方法对本申请实施例提供的水平结构VCSEL芯片进行更详细的描述。参考图2所示，为本申请实施例提供的一种水平结构VCSEL芯片的制作方法的流程图，其中，制作方法包括：
S1、提供一衬底；
S2、在所述衬底一表面沉积下DBR层；
S3、在所述下DBR层背离所述衬底一侧表面上沉积有源层；
S4、在所述下DBR层背离所述衬底一侧的裸露表面沉积接触层，所述接触层划分为靠近所述有源层的绝缘部和远离所述有源层的导电部，所述绝缘部覆盖所述有源层的侧面；
S5、在所述绝缘部背离所述衬底一侧沉积导电层，所述导电层覆盖所述有源层表面；
S6、在所述导电层背离所述衬底一侧且对应所述有源层所在区域沉积上DBR层；
S7、在所述导电部背离衬底一侧形成第一电极，及在所述导电层背离所述衬底一侧形成第二电极，其中，所述第二电极与所述上DBR层之间具有间隙。
下面结合图3至图9所示图2中各步骤对应的结构，对本申请实施例提供的水平结构VCSEL芯片和其制作方法各步骤进行具体描述。
参考图3所示，对应步骤S1，提供一衬底100。在本申请一实施例中，本申请提供的衬底可以为GaAs衬底，此外，在本申请其他实施例中衬底的材质还可以为其他材质，对此本申请不做具体限制。
参考图4所示，对应步骤S2，在衬底100一表面沉积下DBR层200。在本申请一实施例中，本申请提供的下DBR层可以为N型DBR层。
参考图5所示，对应步骤S3，在下DBR层200背离衬底100一侧表面上沉积有源层300。在本申请一实施例中，本申请提供的有源层具体可以为InGaAs/GaAs超晶格有源层，其中，本申请实施例对于InGaAs/GaAs超晶格中InGaAs层和GaAs层的周期数不做具体限制，需要根据实际应用进行具体设计。
在本申请一实施例中，制作有源层时可以先制作掩膜层遮挡无需沉积有源材料的区域，而后去除掩膜层。具体的，本申请实施例提供的所述有源层的制作方法包括：
在所述下DBR层上形成掩膜层，所述掩膜层上形成有一窗口区；
在所述下DBR层具有所述掩膜层的一侧上沉积有源材料；
去除所述掩膜层得到所述有源层。
在本申请一实施例中，本申请提供的掩膜层可以为二氧化硅层，对此本申请不做具体限制。
此外，在本申请另一实施例中，制作有源层可以为先沉积有源材料，而后对有源材料进行刻蚀得到有源层。具体的，本申请实施例提供的所述有源层的制作方法包括：
在所述下DBR层背离所述衬底的表面沉积有源材料；
对所述有源材料进行刻蚀得到所述有源层。
在本申请一实施例中，对有源材料的刻蚀可以采用ICP（电感耦合等离子体）刻蚀工艺得到有源层。
参考图6所示，对应步骤S4，在下DBR层200背离衬底100一侧的裸露表面沉积接触层400，接触层400划分为靠近有源层300的绝缘部410和远离有源层300的导电部420，绝缘部410覆盖有源层300的侧面。
在本申请一实施例中，本申请提供的所述接触层为AlGaAs层，其中，Al组分比例可以为0.98。以及，本申请实施例提供的接触层的厚度可以为10纳米。
由于在下DBR层上形成有有源层，故而，在沉积接触材料前首先需要设置掩膜将有源层背离衬底一侧表面覆盖，而后再对下DBR层背离衬底一侧沉积接触材料，其中，接触材料覆盖下DBR层裸露表面和有源层的侧面，避免有源层侧面漏电的情况出现。
具体的，本申请实施例提供的所述接触层的制作方法包括：
在所述下DBR层背离所述衬底一侧的裸露表面沉积接触材料，且所述接触材料覆盖所述有源层的侧面；
在所述有源层背离所述衬底的表面，及在所述接触材料背离所述衬底且对应所述导电部的表面上形成保护层；
对所述接触材料对应所述绝缘部的部分进行氧化，由于保护层的阻挡作用，阻挡导电部的材料进行氧化，其中，保护层可以为二氧化硅层；
去除所述保护层得到所述接触层。
参考图7所示，对应步骤S5，在绝缘部410背离衬底100一侧沉积导电层500，导电层500覆盖有源层300表面。在本申请一实施例中，本申请提供的所述导电层为GaAs层，对此本申请不做具体限制，在本申请其他实施例中，导电层还可以为其他材质层。以及，本申请实施例提供的导电层的厚度可以为10纳米。
在沉积导电层过程中，首先在接触层背离衬底一侧形成掩膜，且掩膜裸露出需要沉积导电层的区域，而后在接触层背离衬底一侧进行沉积导电材料，最后去除掩膜后得到导电层，其中，掩膜可以为二氧化硅掩膜。
参考图8所示，对应步骤S6，在导电层500背离衬底100一侧且对应有源层300所在区域沉积上DBR层600。
在本申请一实施例中，本申请提供的下DBR层为N型DBR层，则本申请提供的上DBR层为P型DBR层。
在沉积上DBR层过程中，首先在接触层裸露表面和导电层背离衬底的部分表面上形成掩膜，掩膜裸露出需要沉积上DBR层的区域，而后在导电层背离衬底一侧沉积上DBR材料，去除掩膜后得到上DBR层，其中，掩膜可以为二氧化硅掩膜。
参考图9所示，对应步骤S7，在导电部420背离衬底100一侧形成第一电极710，及在导电层500背离衬底100一侧形成第二电极720，其中，第二电极720与上DBR层600之间具有间隙。
在本申请一实施例中，第一电极和第二电极均可以为金属电极。
相应的，本申请实施例还提供了一种激光装置，所述激光装置包括上述任意一实施例提供的水平结构VCSEL芯片。
本申请实施例提供了一种水平结构VCSEL芯片及其制作方法和激光装置，包括：衬底；位于所述衬底一表面的下DBR层；位于所述下DBR层背离所述衬底一侧表面上的接触层，所述接触层上形成有一镂空区，且所述接触层划分为靠近所述镂空区的绝缘部和远离所述镂空区的导电部；位于所述镂空区内的有源层，所述绝缘部覆盖所述有源层的侧面；位于所述绝缘部背离所述衬底一侧且覆盖所述有源层表面的导电层；位于所述导电层背离所述衬底一侧且对应所述有源层所在区域的上DBR层；以及，位于所述导电部背离衬底一侧的第一电极，及位于所述导电层背离所述衬底一侧且与所述上DBR层具有间隙的第二电极。
由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，在降低水平结构VCSEL芯片制作难度的同时，将其第一电极和第二电极位于同侧，使得第一电极和第二电极之间电流仅需要在下DBR层背离衬底一侧表面和上DBR层朝向衬底一侧表面流动即可，而电流无需穿过下DBR层和上DBR层，降低了第一电极和第二电极之间电阻；此外，水平结构VCSEL芯片有利于芯片的散热，提高芯片性能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种水平结构VCSEL芯片，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底一表面的下DBR层；
位于所述下DBR层背离所述衬底一侧表面上的接触层，所述接触层上形成有一镂空区，且所述接触层划分为靠近所述镂空区的绝缘部和远离所述镂空区的导电部；
位于所述镂空区内的有源层，所述绝缘部覆盖所述有源层的侧面；
位于所述绝缘部背离所述衬底一侧且覆盖所述有源层表面的导电层；
位于所述导电层背离所述衬底一侧且对应所述有源层所在区域的上DBR层；
以及，位于所述导电部背离衬底一侧的第一电极，及位于所述导电层背离所述衬底一侧且与所述上DBR层具有间隙的第二电极；
其中，所述接触层为AlGaAs层，其中，所述AlGaAs层对应所述绝缘部为氧化部，及，所述AlGaAs层对应所述导电部为非氧化部; 所述下DBR层为N型DBR层，及，所述上DBR层为P型DBR层。
2.根据权利要求1所述的水平结构VCSEL芯片，其特征在于，所述有源层为InGaAs/GaAs超晶格有源层。
3.根据权利要求1所述的水平结构VCSEL芯片，其特征在于，所述导电层为GaAs层。
4.一种水平结构VCSEL芯片的制作方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底一表面沉积下DBR层；
在所述下DBR层背离所述衬底一侧表面上沉积有源层；
在所述下DBR层背离所述衬底一侧的裸露表面沉积接触层，所述接触层划分为靠近所述有源层的绝缘部和远离所述有源层的导电部，所述绝缘部覆盖所述有源层的侧面；所述接触层为AlGaAs层，其中，所述AlGaAs层对应所述绝缘部为氧化部，及，所述AlGaAs层对应所述导电部为非氧化部；
在所述绝缘部背离所述衬底一侧沉积导电层，所述导电层覆盖所述有源层表面；
在所述导电层背离所述衬底一侧且对应所述有源层所在区域沉积上DBR层，所述下DBR层为N型DBR层，及，所述上DBR层为P型DBR层；
在所述导电部背离衬底一侧形成第一电极，及在所述导电层背离所述衬底一侧形成第二电极，其中，所述第二电极与所述上DBR层之间具有间隙。
5.根据权利要求4所述的水平结构VCSEL芯片的制作方法，其特征在于，所述有源层的制作方法包括：
在所述下DBR层上形成掩膜层，所述掩膜层上形成有一窗口区；
在所述下DBR层具有所述掩膜层的一侧上沉积有源材料；
去除所述掩膜层得到所述有源层。
6.根据权利要求4所述的水平结构VCSEL芯片的制作方法，其特征在于，所述有源层的制作方法包括：
在所述下DBR层背离所述衬底的表面沉积有源材料；
对所述有源材料进行刻蚀得到所述有源层。
7.根据权利要求4所述的水平结构VCSEL芯片的制作方法，其特征在于，所述接触层的制作方法包括：
在所述下DBR层背离所述衬底一侧的裸露表面沉积接触材料，且所述接触材料覆盖所述有源层的侧面；
在所述有源层背离所述衬底的表面，及在所述接触材料背离所述衬底且对应所述导电部的表面上形成保护层；
对所述接触材料对应所述绝缘部的部分进行氧化；
去除所述保护层得到所述接触层。
8.一种激光装置，其特征在于，所述激光装置包括权利要求1~3任意一项所述的水平结构VCSEL芯片。
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