CN109149362B - 一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法，包括：衬底，依次形成于衬底上的外延层、绝缘层和电极层，外延层包括位于衬底上的N型层和位于N型层上的柱状层，柱状层包括位于N型层上的发光层和位于发光层上的P型层；柱状层与N型层上表面形成第一暴露区域；绝缘层包覆柱状层以及第一暴露区域，且与P型层上表面形成第二暴露区域，与N型层上表面形成第三暴露区域；电极层包括包覆所述绝缘层的第一电极层，且在第二暴露区域，与P型层上表面形成第四暴露区域，与位于N型层上的、形成第三暴露区域一侧的绝缘层的水平面形成第五暴露区域；第二电极层位于第三暴露区域上。本申请实施例提高了芯片的散热性能。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法。
背景技术
VCSEL，全名为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface EmittingLaser)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，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优点，广泛应用与光通信、光互连、光存储等领域。
目前VCSEL芯片主要是垂直结构，即正极和负极分布在反光层两端，这种垂直结构的VCSEL芯片，其发光层主要是通过衬底进行散热，散热效果较差。
综上，现有技术中的VCSEL芯片散热效果较差。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片及其制备方法，以提高散热效果。
第一方面，本申请实施例提供了一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片，包括衬底，依次形成于所述衬底上的外延层、绝缘层和电极层，所述外延层包括位于所述衬底上的N型层和位于所述N型层上的柱状层，所述柱状层包括位于所述N型层上的发光层和位于所述发光层上的P型层；
所述柱状层与所述N型层上表面形成第一暴露区域；
所述绝缘层包覆所述柱状层以及所述第一暴露区域，且与所述P型层上表面形成第二暴露区域，以及，与所述N型层上表面形成第三暴露区域；
所述电极层包括第一电极层和第二电极层；
第一电极层包覆所述绝缘层，且在所述第二暴露区域，与所述P型层上表面形成第四暴露区域，以及，与位于所述N型层上的、形成第三暴露区域一侧的所述绝缘层的水平面形成第五暴露区域；
第二电极层位于所述第三暴露区域上。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，所述P型层包括形成于发光层上的P-DBR层和形成于所述P-DBR层上的欧姆接触层。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，所述P-DBR层包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，所述柱状层的宽度不大于20um。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，所述N型层为N-DBR层。
结合第一方面的第四种可能的实施方式，本申请实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，所述N-DBR层包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，所述绝缘层的厚度为350-550nm。
结合第一方面，本申请实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，所述绝缘层为碳化硅绝缘层或二氧化硅绝缘层。
第二方面，本申请实施例提供了一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，包括：
在衬底上形成外延层，所述外延层包括依次形成于所述衬底上的N型层、发光层和P型层；
对所述发光层和P型层进行蚀刻，使得所述发光层和所述P型层形成柱状层，且所述柱状层与所述N型层上表面形成第一暴露区域；
在所述柱状层以及所述第一暴露区域上形成绝缘层，使得所述绝缘层包覆所述柱状层以及所述第一暴露区域；
对所述绝缘层进行蚀刻，使得所述绝缘层与所述P型层上表面形成第二暴露区域，以及，与所述N型层上表面形成第三暴露区域；
在所述绝缘层、所述第二暴露区域以及所述第三暴露区域上形成电极层，所述电极层包括第一电极层和第二电极层；
对所述电极层进行蚀刻，使得所述第一电极层包覆所述绝缘层，且在所述第二暴露区域，与所述P型层上表面形成第四暴露区域，以及，与位于所述N型层上的、形成第三暴露区域一侧的所述绝缘层的水平面形成第五暴露区域；以及使得第二电极层位于所述第三暴露区域上。
结合第二方面，本申请实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，所述P型层包括形成于所述发光层上的P-DBR层和形成于所述P-DBR层上的欧姆接触层。
与现有技术中相比，本申请实施例提供的本申请实施例提供了一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片，包括衬底，依次形成于衬底上的外延层、绝缘层和电极层，外延层包括位于衬底上的N型层和位于N型层上的柱状层，柱状层包括位于N型层上的发光层和位于发光层上的P型层；柱状层与N型层上表面形成第一暴露区域；绝缘层包覆所述柱状层以及第一暴露区域，且与P型层上表面形成第二暴露区域，以及，与N型层上表面形成第三暴露区域；电极层包括第一电极层和第二电极层；第一电极层包覆绝缘层，且在第二暴露区域，与P型层上表面形成第四暴露区域，以及，与位于N型层上的、形成第三暴露区域一侧的绝缘层的水平面形成第五暴露区域；第二电极层位于第三暴露区域上。
可见，本申请实施例提供的水平结构的垂直腔面发射激光器芯片中的位于N型层上的发光层和位于发光层上的P型层的尺寸小于N型层，形成柱状层，且在柱状层外包裹了电极层，这里的电极层包括的第一电极层和第二电极层位于发光层的同一侧，可知该水平结构的垂直腔面发射激光器芯片为水平结构，因为电极层“包裹”住了在通电后产生主要产生热量的发光层，使得热量除了可以通过衬底散热外，还可以通过电极层散发，从而提高了芯片的散热效果，此外不需要对芯片进行氧化，从而使得芯片的应力较小。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
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示出了本申请实施例所提供一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的结构示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的制备方法流程图；
图3示出了本申请实施例所提供的制备水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的步骤图之一；
图4示出了本申请实施例所提供的制备水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的步骤图之二；
图5示出了本申请实施例所提供的制备水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的步骤图之三；
图6示出了本申请实施例所提供的制备水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的步骤图之四；
图7示出了本申请实施例所提供的制备水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的步骤图之五。
图标：11-衬底；12-N型层；121-第一暴露区域；122-第三暴露区域；13-发光层；14-P型层；141-P-DBR层；142-欧姆接触层；143-第二暴露区域；144-第四暴露区域；15-绝缘层；151-第五暴露区域；16-电极层；161-第一电极层；162-第二电极层。
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，所描述的实施例仅仅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。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本申请实施例提供了一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片，如图1所示，包括衬底11，依次形成于衬底11上的外延层、绝缘层15和电极层16，外延层包括位于衬底11上的N型层12和位于N型层12上的柱状层，柱状层包括位于N型层12上的发光层13和位于发光层13上的P型层14。
可选地，衬底可以为砷化镓衬底。
具体地，P型层14包括形成于发光层13上的P-DBR层141和形成于P-DBR层141上的欧姆接触层142。
这里的P-DBR层为P型分布式布拉格反射层，其结构包括多层交替的砷化铝和砷化铝镓，较佳地，本申请实施例中P-DBR层包括20对交替的砷化铝和砷化铝镓，P-DBR层这样的结构，能够增加对光的反射率，其反射率可达99.8％。可选地，本申请中的欧姆接触层包括砷化镓层。
N型层为N-DBR层，即N型分布式布拉格反射层，可选地，本申请实施例中的N-DBR层也包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层，优选地，本申请实施例中N-DBR层包括32对交替的砷化铝层和砷化铝镓层，N-DBR层这样的结构，能够增加对光的反射率，其反射率可达99.9％。
其中，柱状层与N型层12上表面形成第一暴露区域121，即柱状层的尺寸小于N型层的尺寸。
具体地，柱状层可以位于N型层12的中心位置，在柱状层周围是N型层环形状的第一暴露区域121。
绝缘层15包覆柱状层以及第一暴露区域121，且与P型层14上表面形成第二暴露区域143，以及，与N型层上表面形成第三暴露区域122。
具体的，第二暴露区域143是形成于P型层14中的欧姆接触层142上。
电极层包括第一电极层161和第二电极层162。其中第一电极层161即为P电极层，第二电极层162即为N电极层。第一电极层和第二电极层的材料为导电性良好的金属材料，比如铜、银和金等。
具体地，第一电极层161包覆绝缘层15，且在第二暴露区域143，与P型层14上表面形成第四暴露区域144，以及，与位于N型层12上的、形成第三暴露区域122一侧的绝缘层的水平面形成第五暴露区域151。
具体地，这里第一电接层161在第二暴露区域143，与P型层14中的欧姆接触层142上表面形成第四暴露区域144。
第二电极层162位于第三暴露区域122上。
具体地，其中，柱状层的宽度不大于20um，第四暴露区域优选为圆形区域，该圆形区域的直径10-20um，即便不制备对电流起到限制作用的氧化层，也可以对电流起到很好的限制作用，从而能够使得水平结构的垂直腔面发射激光器芯片有利于形成单模阵列的芯片，此外，由于不需要对芯片进行氧化，从而使得芯片的应力较小。
可选地，绝缘层包括碳化硅绝缘层或二氧化硅绝缘层，或者其他能起到绝缘作用的绝缘层，这里绝缘层是为了隔绝第一电极层与发光层接触形成短路而设置的，同时又为了不影响发光层的散热效果，将绝缘层的做的很薄，可选地，绝缘层的厚度为350-550nm。
可选地，本申请实施例中的发光层为AlxGa1-xAs/In xGaAs/AlxGa1-xAs量子阱结构，其中x为In的含量，根据波长进行调整。
本申请实施例提供了一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，如图2所示，包括以下步骤S200～S205：
S200，在衬底上形成外延层，外延层包括依次形成于衬底上的N型层、发光层和P型层。
在衬底11上形成外延层，外延层包括依次形成于衬底11上的N型层12、发光层13和P型层14，其中，P型层14包括形成于发光层13上的P-DBR层141和形成于P-DBR层141上的欧姆接触层142，这样得到如图3所示的结构。
其中N型层为N-DBR层(N型分布式布拉格反射层)，N-DBR层的结构是多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。
P型层包括形成于发光层上的P-DBR层和形成于P-DBR层上的欧姆接触层。这里的P-DBR层为P型分布式布拉格反射层，其结构包括多层交替的砷化铝和砷化铝镓。
S201，对发光层和P型层进行蚀刻，使得发光层和P型层形成柱状层，且柱状层与N型层上表面形成第一暴露区域。
对发光层13和P型层14进行ICP蚀刻，得到单个柱状层，使得该柱状层的宽度小于或等于20um，如图4所示，柱状层与N型层12上表面形成第一暴露区域121。
S202，在柱状层以及第一暴露区域上形成绝缘层，使得绝缘层包覆柱状层以及第一暴露区域。
在柱状层以及第一暴露区域121上形成绝缘层15，使得绝缘层15包覆柱状层以及第一暴露区域121，如图5所示。
S203，对绝缘层进行蚀刻，使得绝缘层与P型层上表面形成第二暴露区域，以及，与N型层上表面形成第三暴露区域。
比如，绝缘层为氮化硅绝缘层，使用氟化氢按照如图6所示的图案对氮化硅绝缘层进行蚀刻，最终与P型层14上表面形成第二暴露区域143，以及，与N型层上表面形成第三暴露区域122。
S204，在绝缘层、第二暴露区域以及第三暴露区域上电极层，电极层包括第一电极层和第二电极层。
在绝缘层15、第二暴露区域143以及第三暴露区域122上电极层16，电极层16包括第一电极层和第二电极层(其中第一电极层和第二电极层在图7中未示出)，得到如图7所示的结构示意图。
S205，对电极层进行蚀刻，使得第一电极层包覆绝缘层，且在第二暴露区域，与述P型层上表面形成第四暴露区域，以及，与位于N型层上的、形成第三暴露区域一侧的绝缘层的水平面形成第五暴露区域；以及使得第二电极层位于第三暴露区域上。
具体地，使得第四暴露区域为圆形区域，该圆形区域的直径范围为10-20um。
具体地，通过光刻电极层，最终得到如图1所示的芯片结构。
与现有技术中相比，本申请实施例提供的本申请实施例提供了一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片，包括衬底，依次形成于衬底上的外延层、绝缘层和电极层，外延层包括位于衬底上的N型层和位于N型层上的柱状层，柱状层包括位于N型层上的发光层和位于发光层上的P型层；柱状层与N型层上表面形成第一暴露区域；绝缘层包覆所述柱状层以及第一暴露区域，且与P型层上表面形成第二暴露区域，以及，与N型层上表面形成第三暴露区域；电极层包括第一电极层和第二电极层；第一电极层包覆绝缘层，且在第二暴露区域，与P型层上表面形成第四暴露区域，以及，与位于N型层上的、形成第三暴露区域一侧的绝缘层的水平面形成第五暴露区域；第二电极层位于第三暴露区域上。
可见，本申请实施例提供的水平结构的垂直腔面发射激光器芯片中的位于N型层上的发光层和位于发光层上的P型层的尺寸小于N型层，形成柱状层，且在柱状层外包裹了电极层，这里的电极层包括的第一电极层和第二电极层位于发光层的同一侧，可知该水平结构的垂直腔面发射激光器芯片为水平结构，因为电极层“包裹”住了在通电后产生主要产生热量的发光层，使得热量除了可以通过衬底散热外，还可以通过电极层散发，从而提高了芯片的散热效果。此外不需要对芯片进行氧化，从而使得芯片的应力较小。
另外，由于第一电极层在P型层上形成的第四暴露区域的直径很小，即便不制备对电流起到限制作用的氧化层，也可以对电流起到很好的限制作用，从而能够使得该水平结构的垂直腔面发射激光器芯片有利于形成单模阵列的芯片。
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，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。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所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片，其特征在于，包括衬底，依次形成于所述衬底上的外延层、绝缘层和电极层，所述外延层包括位于所述衬底上的N型层和位于所述N型层上的柱状层，所述柱状层包括位于所述N型层上的发光层和位于所述发光层上的P型层；
所述柱状层与所述N型层上表面形成第一暴露区域；
所述绝缘层包覆所述柱状层以及所述第一暴露区域，且与所述P型层上表面形成第二暴露区域，以及，与所述N型层上表面形成第三暴露区域；
所述电极层包括第一电极层和第二电极层；
第一电极层包覆所述绝缘层，且在所述第二暴露区域，与所述P型层上表面形成第四暴露区域，以及，与位于所述N型层上的、形成第三暴露区域一侧的所述绝缘层的水平面形成第五暴露区域；
第二电极层位于所述第三暴露区域上；
其中，所述柱状层的宽度不大于20um；所述第四暴露区域为圆形区域，该圆形区域的直径10-20um；
所述绝缘层为碳化硅绝缘层或二氧化硅绝缘层；
所述绝缘层的厚度为350-550nm。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述P型层包括形成于发光层上的P-DBR层和形成于所述P-DBR层上的欧姆接触层。
3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述P-DBR层包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述N型层为N-DBR层。
5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述N-DBR层包括多层交替的砷化铝层和砷化铝镓层。
6.一种水平结构的垂直腔面发射激光器芯片的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成外延层，所述外延层包括依次形成于所述衬底上的N型层、发光层和P型层；
对所述发光层和P型层进行蚀刻，使得所述发光层和所述P型层形成柱状层，且所述柱状层与所述N型层上表面形成第一暴露区域；
在所述柱状层以及所述第一暴露区域上形成绝缘层，使得所述绝缘层包覆所述柱状层以及所述第一暴露区域；
对所述绝缘层进行蚀刻，使得所述绝缘层与所述P型层上表面形成第二暴露区域，以及，与所述N型层上表面形成第三暴露区域；
在所述绝缘层、所述第二暴露区域以及所述第三暴露区域上形成电极层，所述电极层包括第一电极层和第二电极层；
对所述电极层进行蚀刻，使得所述第一电极层包覆所述绝缘层，且在所述第二暴露区域，与所述P型层上表面形成第四暴露区域，以及，与位于所述N型层上的、形成第三暴露区域一侧的所述绝缘层的水平面形成第五暴露区域；以及使得第二电极层位于所述第三暴露区域上；
其中，所述柱状层的宽度不大于20um；所述第四暴露区域为圆形区域，该圆形区域的直径10-20um；
所述绝缘层为碳化硅绝缘层或二氧化硅绝缘层；
所述绝缘层的厚度为350-550nm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述P型层包括形成于所述发光层上的P-DBR层和形成于所述P-DBR层上的欧姆接触层。
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