CN110137802B - 一种小间距密排垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小间距密排垂直腔面发射激光器及其制备方法，其中，激光器包括：衬底、外延层、制备在外延层上的Mesa台面、上电极以及下电极；Mesa台面为多个，多个Mesa台面排布于外延层的一侧表面上，任一Mesa台面形成外延层的发光点，任一Mesa台面上设置有上电极，衬底一侧表面上设置有下电极，相邻Mesa台面之间的中心间距为8～20μm，相邻Mesa台面之间的边缘间距为0.5～5μm。本发明通过在外延片背面沉积了一层氧化硅、氮化硅等介质材料。通过调节材料的厚度和应力水平，降低了外延片的翘曲程度，从而提升了小间距密排垂直腔面发射激光器制作中的光刻精度，实现了小间距密排垂直腔面发射激光器的制备。

Description

一种小间距密排垂直腔面发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种小间距密排垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术

随着3D人脸识别、激光雷达等技术和应用的发展，垂直腔面发射激光器(VCSEL)受到人们越来越多的关注。为了不断提高VCSEL阵列的成像精度和发光功率，研究者们不断改进VCSEL器件的设计和工艺水平，并取得了一定的进展。各种方法中，提高垂直腔面激光器的发光点密度，制备小间距密排垂直腔面发射激光器，是提高VCSEL器件成像分辨率和发光功率的一个重要方法。

小间距密排垂直腔面发射激光器的制作的困难主要来源于衬底经外延生长后，晶圆表面出现翘曲，不利于实现小间距密排垂直腔面发射激光器的高精度光刻。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种小间距密排垂直腔面发射激光器及其制备方法，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种小间距密排垂直腔面发射激光器，其包括：衬底、外延层、制备在外延层上的Mesa台面、上电极以及下电极；

所述Mesa台面为多个，多个Mesa台面排布于所述外延层的一侧表面上，任一所述Mesa台面形成所述外延层的发光点，任一所述Mesa台面上设置有所述上电极，所述衬底一侧表面上设置有所述下电极，相邻Mesa台面之间的中心间距为8～20μm，相邻Mesa台面之间的边缘间距为0.5～5μm。

作为本发明的小间距密排垂直腔面发射激光器的改进，多个Mesa台面以规则或者不规则的方式排布于所述外延层的一侧表面上。

作为本发明的小间距密排垂直腔面发射激光器的改进，所述外延层包括自上而下层叠设置的：保护层、P-DBR层、氧化层、发光层、N-DBR层以及衬底层。

作为本发明的小间距密排垂直腔面发射激光器的改进，所述上电极为设置于所述Mesa台面上的环形电极。

作为本发明的小间距密排垂直腔面发射激光器的改进，所述上电极为金属电极，所述金属电极的厚度1～3μm。

作为本发明的小间距密排垂直腔面发射激光器的改进，所述下电极为设置于所述衬底一侧表面的层电极。

作为本发明的小间距密排垂直腔面发射激光器的改进，所述下电极为金属电极，所述金属电极的厚度0.5～5μm。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种如上所述小间距密排垂直腔面发射激光器的制备方法，其包括如下步骤：

S1、通过外延工艺在衬底上表面生长外延层；

S2、在所述衬底下表面生长介质层，减小芯片翘曲量；

S3、在所述外延层上表面定义电极图形，经电子束沉积和电极剥离后，形成电极；

S4、在所述外延层上表面制作一层掩膜层；

S5、在所述外延片表面定义Mesa光刻图形，随后经ICP刻蚀后，将Mesa图形转移到掩膜层上；

S6、去除步骤S5中剩余光刻胶，随后样品转移到ICP刻蚀设备中，刻蚀形成Mesa台面，经湿法氧化形成氧化孔径；

S7、随后样品被转移到PECVD设备中，在上表面沉积一层介质薄膜；

S8、去除步骤S7中电极上的介质薄膜；

S9、将步骤S8中的样品转移至金属电极沉积设备中，在Mesa台面上沉积上电极；

S10、将步骤S9中的样品的背面的介质层研磨掉并抛光后，在背面沉积一层下电极。

作为本发明的小间距密排垂直腔面发射激光器的制备方法的改进，在所述衬底下表面生长的介质层为氧化硅、氮化硅、三氧化二铝中的一种或几种的层叠。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在外延片背面沉积了一层氧化硅、氮化硅、三氧化二铝等介质材料。通过调节材料的厚度和应力水平，降低了外延片的翘曲程度，从而提升了小间距密排垂直腔面发射激光器制作中的光刻精度，实现了小间距密排垂直腔面发射激光器的制备。

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中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的小间距发射激光器一具体实施方式的平面示意图；

图2为本发明的小间距发射激光器中Mesa台面规则排布的俯视图；

图3为本发明的小间距发射激光器中Mesa台面不规则排布的俯视图；

图4为本发明的小间距发射激光器中激光芯片的层结构示意图。

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。

本发明的技术构思为，在外延片背面沉积了一层氧化硅、氮化硅、三氧化二铝等介质材料。通过调节材料的厚度和应力水平，降低了外延片的翘曲程度，从而提升了小间距密排垂直腔面发射激光器制作中的光刻精度。

如图1所示，本发明提供一种小间距发射激光器，其包括：Mesa台面1、下电极2、衬底3、外延层4以及上电极5。

所述Mesa台面1为多个，多个Mesa台面1排布于所述外延层4的一侧表面上，任一所述Mesa台面1形成所述外延层4的发光点。从而，多个Mesa台面1之间的间距对于器件的分辨率和光电转化效率具有重要影响。发光点密集排布，组成高密度发光点的激光器阵列能够提高面发射激光器的成像精度和光电转化效率。

上述技术构思的原理在于：相同情况下，Mesa台面1间距越小，密度越高，发出的光束数量越多，越能有效更多反映激光器照射物体的信息。此外，小的Mesa台面1间距可以有效减少电流注入的损耗，提升器件的光电的转化效率。本发明的小间距发射激光中，相邻Mesa台面1之间的中心间距d为8～20μm，相邻Mesa台面1之间的边缘间距w为0.5～5μm。

如图2、3所示，在上述中心间距以及边缘间距的尺寸范围下，上述多个Mesa台面1可以规则或者不规则的方式排布于所述外延层4的一侧表面上。在一个实施方式中，多个Mesa台面1以规则方式排布时，多个Mesa台以矩形阵列或者圆形阵列的方式进行规则排布。

任一所述Mesa台面1上设置有所述上电极5，所述外延层4的另一侧表面上依次为所述衬底3、下电极2。其中，所述上电极5为设置于所述Mesa台面1上的环形电极。优选地，所述上电极3为金属电极，此时所述金属的厚度1～3μm。

如图4所示，所述外延层4包括自上而下层叠设置的：保护层41、P-DBR层42、氧化层43、发光层44、N-DBR层45以及衬底层46。

所述下电极2为设置于所述衬底3下表面的层电极。优选地，所述下电极2为金属电极，所述金属电极的厚度0.5～5μm。

基于如上所述的小间距发射激光器，本发明还提供一种如上所述小间距发射激光器的制备方法，其包括如下步骤：

S1、通过外延工艺在衬底上表面生长外延层。

S2、在所述衬底下表面生长介质层，减小芯片翘曲量。

优选地，所述介质层为氧化硅、氮化硅、三氧化二铝中的一种或几种的层叠。通过生长介质层，有利于平衡激光芯片内应力，将激光芯片表面拉平，去除激光芯片表面翘曲，进而提高光刻精度，实现了刻蚀工艺中Mesa台面的小间距排布。

S3、在所述外延层上表面定义电极图形，经电子束沉积和电极剥离后，形成电极。

S4、在所述外延层上表面制作一层掩膜层。

S5、在所述外延片表面定义Mesa光刻图形，随后经ICP刻蚀后，将Mesa图形转移到掩膜层上。

S6、去除步骤S5中剩余光刻胶，随后样品转移到ICP刻蚀设备中，刻蚀形成Mesa台面，经湿法氧化形成氧化孔径。

S7、随后样品被转移到PECVD设备中，在上表面沉积一层介质薄膜。

S8、去除步骤S7中电极上的介质薄膜。

S9、将步骤S8中的样品转移至金属电极沉积设备中，在Mesa台面上沉积上电极。

S10、将步骤S9中的样品的背面的介质层研磨掉并抛光后，在背面沉积一层下电极。

下面结合一具体的实施例对上述制备方法进行举例说明。

S1、采用外延工艺在GaAs衬底上外延生长，获得VCSEL器件外延结构。

S2、采用PECVD法在衬底下表面生长厚度0.3～10μm的SiNx薄膜。

S3、采用标准光刻工艺在上述VCSEL器件上定义环型金属Contact电极图形，经电子束沉积Ti/Au等金属电极和电极剥离后，形成电极。

S4、采用PECVD法在VCSEL器件上表面沉积一层氮化硅掩膜层，厚度50～500nm，薄膜折射率位于1.9～2.0之间。

S5、采用标准的光刻工艺，在VCSEL器件表面定义Mesa光刻图形。随后经ICP刻蚀SiNx后，将Mesa图形转移到掩膜层上。

S6、采用标准去胶工艺去除步骤S5中剩余光刻胶，随后样品转移到ICP刻蚀设备中，以SiNx为掩膜，刻蚀形成Mesa台面，经湿法氧化形成氧化孔径。

S7、随后样品被转移到PECVD设备中，在上表面沉积一层SiNx薄膜，厚度0.1～1μm。

S8、经标准光刻工艺以及ICP刻蚀工艺，将步骤S7中样品的电极上的SiNx去除。

S9、步骤S8中样品随后被转移到金属电极沉积设备中，沉积了一层Au电极，电极厚度1～3μm。

S10、步骤S9中样品背面经研磨抛光后，厚度减小到20～200nm，随后在背面沉积一层金属电极，厚度为0.5～5μm。

综上所述，本发明通过在外延片背面沉积了一层氧化硅、氮化硅、三氧化二铝等介质材料。通过调节材料的厚度和应力水平，降低了外延片的翘曲程度，从而提升了小间距密排垂直腔面发射激光器制作中的光刻精度，实现了小间距密排垂直腔面发射激光器的制备。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种小间距密排垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述小间距密排垂直腔面发射激光器包括：衬底、外延层、制备在外延层上的Mesa台面、上电极以及下电极；

所述Mesa台面为多个，多个Mesa台面排布于所述外延层的一侧表面上，任一所述Mesa台面形成所述外延层的发光点，任一所述Mesa台面上设置有所述上电极，所述衬底一侧表面上设置有所述下电极，相邻Mesa台面之间的中心间距为8～20μm，相邻Mesa台面之间的边缘间距为0.5～5μm；

小间距密排垂直腔面发射激光器制备过程中，在所述衬底下表面生长介质层，之后再去掉该介质层，所述介质层为氧化硅、氮化硅、三氧化二铝中的一种或几种的层叠。

2.根据权利要求1所述的小间距密排垂直腔面发射激光器，其特征在于，多个Mesa台面以规则或者不规则的方式排布于所述外延层的一侧表面上。

3.根据权利要求1所述的小间距密排垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述外延层包括自上而下层叠设置的：保护层、P-DBR层、氧化层、发光层、N-DBR层以及衬底层。

4.根据权利要求1所述的小间距密排垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述上电极为设置于所述Mesa台面上的环形电极。

5.根据权利要求1或4所述的小间距密排垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述上电极为金属电极，所述金属电极的厚度1～3μm。

6.根据权利要求1所述的小间距密排垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述下电极为设置于所述衬底一侧表面的层电极。

7.根据权利要求1或6所述的小间距密排垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述下电极为金属电极，所述金属电极的厚度0.5～5μm。

8.一种如权利要求1～7任一项所述小间距密排垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

S1、通过外延工艺在衬底上表面生长外延层；

S2、在所述衬底下表面生长介质层，减小芯片翘曲量；

S3、在所述外延层上表面定义电极图形，经电子束沉积和电极剥离后，形成电极；

S4、在所述外延层上表面制作一层掩膜层；

S5、在所述外延片表面定义Mesa光刻图形，随后经ICP刻蚀后，将Mesa图形转移到掩膜层上；

S6、去除步骤S5中剩余光刻胶，随后样品转移到ICP刻蚀设备中，刻蚀形成Mesa台面，经湿法氧化形成氧化孔径；

S7、随后样品被转移到PECVD设备中，在上表面沉积一层介质薄膜；

S8、去除步骤S7中电极上的介质薄膜；

S9、将步骤S8中的样品转移至金属电极沉积设备中，在Mesa台面上沉积上电极；

S10、将步骤S9中的样品的背面的介质层研磨掉并抛光后，在背面沉积一层下电极。

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