CN110197992B - 一种高效vcsel芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光芯片技术领域，尤其涉及一种高效VCSEL芯片及其制造方法，该VCSEL芯片包括散热层、外延片，散热层包括多层Cu层，散热层的底层成型有若干散热孔，外延片包括N‑DBR、量子阱、氧化层、P‑DBR和第一欧姆接触层，外延片背离第一欧姆接触层的一侧依次生长有第二SiNx层、ITO层和N‑contact，第一欧姆接触层上生长有第一SiNx层，第一SiNx层被蚀刻出欧姆接触孔，欧姆接触孔内填充有第二欧姆接触层，第二欧姆接触层的截面呈倒T字形且覆盖在第一SiNx层上，第二欧姆接触层与散热层连接。本发明制造得到的VCSEL芯片通过散热层和散热孔提高了芯片本身的散热能力，从而提高了饱和电流值，使得功率效率和斜率效率均得以提高，且电流集中注入时能够得到均匀分布，减少横模的产生。
Description
技术领域
本发明涉及激光芯片技术领域，尤其涉及一种高效VCSEL芯片及其制造方法。
背景技术
自1977年提出VCSEL的概念至今，VCSEL在各个方面的研究均获得了长足的进展。VCSEL的光学谐振腔与半导体芯片的衬底垂直，能够实现芯片表面的激光发射，具有阈值电流低、稳定单波长工作、易高频调制、易二维集成、无腔面阈值损伤、动态单模工作、圆形对称光斑和光纤耦合效率高等优点。
典型的VCSEL为顶发射结构，其结构示意图如图1所示，其包括有源层、P型和N型布拉格反射镜和位于两者之间的谐振腔。P型和N型布拉格反射镜都由多层外延片组成，以达到99％的反射率。为了达到低的阈值电流，通常含有一层过渡层15，将过渡层15采用蚀刻技术制作出氧化窗口以暴露出待氧化部分。通过氧化窗口将过渡层的待氧化部分氧化形成氧化铝绝缘层，即图1中的氧化层16，作为高阻值限制区，用于进行电流限制和光学限制，这样可以减小阈值电流和提高电光转换效率。
VCSEL芯片由于电流注入较集中，常常存在散热效果不佳、出现横模现象的问题，而VCSEL器件的阈值电流及输出功率对温度很敏感，阈值电流随有源区温度的升高呈现指数增长，电光转换效率随有源区温度上升呈现指数下降；且有源区温度升高，激光器的平均和最大输出功率都会减少，其激射波长一般随着有源区温度的升高而出现红移等现象，并伴随着跳模；有源区内部温度的不均匀性，使能级间出现能量差异，导致输出谱线展宽，更容易出现多模激射情况。其次，由于温度的影响，各层材料之间热膨胀系数的差别会在内部产生应力，各层之间扩散加剧，使器件退化，缩短激光器的使用寿命。
因而解决VCSEL芯片的散热问题，降低激光器的工作温度，对于提高VCSEL芯片的工作特性和延长使用寿命有着很大的帮助。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种高效VCSEL芯片及其制造方法，该VCSEL芯片通过散热层和散热孔提高了芯片本身的散热能力，从而提高了饱和电流值，使得功率效率和斜率效率均得以提高，且电流集中注入时能够得到均匀分布，减少横模的产生。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
本发明的一方面在于提供一种高效VCSEL芯片，包括散热层、外延片，所述散热层包括重叠生长的多层Cu层，所述散热层的底层成型有若干散热孔，所述外延片包括依次重叠生长的N-DBR、量子阱、氧化层、P-DBR和第一欧姆接触层，所述外延片背离第一欧姆接触层的一侧依次生长有第二SiNx层、ITO层和N-contact；
所述第一欧姆接触层上生长有第一SiNx层，所述第一SiNx层被蚀刻出欧姆接触孔，所述欧姆接触孔内填充有第二欧姆接触层，所述第二欧姆接触层的截面呈倒T字形且覆盖在第一SiNx层上，所述第二欧姆接触层与散热层连接。
可选的，所述散热层包括重叠生长的厚度为4000埃的薄Cu层、厚度为70um的厚Cu层和多孔Cu层，所述多孔Cu层分布有若干散热孔。薄Cu层为后续厚Cu层的附着做基础。
可选的，所述散热孔为圆形、方形、三角形中的一种。
可选的，所述N-DBR、量子阱、氧化层的侧面被蚀刻至P-DBR形成台柱，所述第二SiNx层蒸镀形成在台柱的侧面和顶面以及P-DBR的上表面，所述第二SiNx层在N-DBR顶面形成出光孔，所述ITO层的截面呈T字形且填充出光孔并覆盖在第二SiNx层上，所述第二SiNx层和ITO层上均蒸镀有金属材料作为N-contact，所述N-contact在ITO层顶面于出光孔对应的位置形成有孔。
可选的，所述N-DBR包括30对层叠生长的反射单元，所述P-DBR包括40对层叠生长的反射单元，所述反射单元为AlGaAs层。
可选的，所述氧化层包括未氧化段和包围所述未氧化段的氧化段，所述未氧化段由Al0.98GaAs生长形成。
本发明的另一方面在于提供了上述高效VCSEL芯片的制造方法，包括以下步骤：生长外延片，先在GaAs衬底上依次生长截止层、N-DBR、量子阱、Al0.98GaAs层、P-DBR和第一欧姆接触层；在第一欧姆接触层上生长第一SiNx层，并对第一SiNx层进行蚀刻，得到欧姆接触孔，在欧姆接触孔位置以及第一SiNx层上表面蒸镀一层金属作为第二欧姆接触层；蒸镀散热层；
去除GaAs衬底和截止层，翻转片源使N-DBR朝上，蚀刻N-DBR、量子阱、氧化层的侧面至P-DBR，形成台柱，并对Al0.98GaAs层进行部分氧化处理形成氧化段和未氧化段，氧化段和未氧化段构成氧化层；
在N-DBR上生长第二SiNx层并在第二SiNx层的中间位置通过蚀刻形成出光孔，在出光孔位置和第二SiNx层镀上ITO层；
在第二SiNx层和ITO层上蒸镀金属形成N-contact。
可选的，所述蒸镀散热层具体操作如下：在第二欧姆接触层上使用Cu蒸镀形成4000埃厚的薄Cu层，接着用Cu电镀形成70um厚的厚Cu层，在厚Cu层上生长分布有若干散热孔的多孔Cu层。
可选的，所述多孔Cu层的生长操作如下：电镀厚Cu层后用键合机台进行高温压合，再对厚Cu层的表面进行上胶，并光刻形成若干独立的胶柱，在若干胶柱之间的空隙内电镀一层Cu，去除胶柱，形成分布有散热孔的多孔Cu层。这里采用Cu材料制成的散热层既可以用来散热，又可以用来作为P-contact。
可选的，所述生长外延片步骤具体为：先在GaAs衬底上生长AlInP作为截止层，在截止层上生长30对以AlGaAs为材料的N-DBR，在N-DBR上生长量子阱，量子阱上生长Al0.98GaAs氧化层，随后在氧化层上生长40对以AlGaAs为材料的P-DBR，最后生长以GaAs为材料的第一欧姆接触层，即在截止层上得到外延片。
本发明的高效VCSEL芯片的制造方法中，一方面，电镀的厚Cu层以及使用Cu做出的散热孔使芯片更容易散热，这样可以提高饱和电流值，进而提高功率效率及斜率效率。另一方面，欧姆接触孔及ITO层有着电流强制扩散的效果，使得当电流集中注入时分布更加均匀，减少了横模的产生。此外，氧化后的氧化层、欧姆接触孔以及N-DBR上ITO层出光孔的限制，使电流注入时有三次注入范围限制，这样电流注入更加集中，减小收缩发光角度。
附图说明
图1是现有技术的VCSEL芯片的结构示意图；
图2是本发明一种高效VCSEL芯片中的外延片结构示意图；
图3-图7是本发明一种高效VCSEL芯片的制造方法中各步骤对应的结构示意图；
图8是本发明一种高效VCSEL芯片中多孔Cu层的放大结构示意图；
图9是本发明一种高效VCSEL芯片的电流扩展方向示意图；
其中，衬底10、截止层20、N-DBR 30、量子阱40、Al0.98GaAs层5、氧化层50、未氧化段51、氧化段52、P-DBR 60、第一欧姆接触层70、第一SiNx层80、第二欧姆接触层90、薄Cu层101、厚Cu层102、多孔Cu层103、第二SiNx层110、出光孔120、散热孔130、ITO层140、N-contact 150。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。
如图7所示，本发明的一种高效VCSEL芯片，包括散热层、外延片，散热层包括重叠生长的多层Cu层，散热层的底层成型有若干散热孔130，具体地，散热层包括重叠生长的厚度为4000埃的薄Cu层101、厚度为70um的厚Cu层102和多孔Cu层103，多孔Cu层103分布有若干散热孔130。散热孔的形状设置可以是但不限于圆形、方形、三角形，本实施例优选圆形。
外延片包括依次重叠生长的N-DBR 30、量子阱40、氧化层50、P-DBR 60和第一欧姆接触层70，其中，N-DBR 30包括30对层叠生长的反射单元，P-DBR 60包括40对层叠生长的反射单元，反射单元为采用AlGaAs材料制成的AlGaAs层，每个反射单元的厚度与VCSEL芯片出射的光线的波长的关系为：反射单元的厚度＝VCSEL芯片出射的光线的波长的四分之一。氧化层50包括未氧化段51和包围所述未氧化段51的氧化段52，未氧化段51由Al0.98GaAs生长形成。
第一欧姆接触层70采用GaAs材料生长形成，本实施例不对第一欧姆接触层70的生长原料作具体限定。第一欧姆接触层70上生长有第一SiNx层80，第一SiNx层80被蚀刻出欧姆接触孔，欧姆接触孔内填充有金属材料第二欧姆接触层90，此处的金属材料包括但不限于Ti、Pt、Au，第二欧姆接触层90的截面呈倒T字形且覆盖在第一SiNx层80上，第二欧姆接触层90与薄Cu层101连接。
外延片背离第一欧姆接触层70的一侧依次生长有第二SiNx层110、ITO层140和N-contact 150，具体地，N-DBR 30、量子阱40、氧化层50的侧面被蚀刻至P-DBR 60表面形成台柱，第二SiNx层110蒸镀形成在台柱的侧面和顶面以及P-DBR的上表面，第二SiNx层110的截面呈Z字形，第二SiNx层110在N-DBR 30顶面形成出光孔120，ITO层140的截面呈T字形且填充出光孔120并覆盖在第二SiNx层110上，第二SiNx层110和ITO层140上均蒸镀有金属材料作为N-contact 150，N-contact 150使用的金属材料包括但不限于AuGe、Au，N-contact150在ITO层140顶面于出光孔120对应的位置形成有孔。本实施例优选地欧姆接触孔、未氧化段51、出光孔120的大小尺寸相同。
上述实施例的VCSEL芯片的电流扩展方向如图9中的箭头指示方向所示，其中的欧姆接触孔因填充有金属材料例如Ti、Pt、Au等，具有电流强制扩散的效果，使得当电流集中注入时分布更加均匀，能够减少横模的产生。氧化层中未氧化的未氧化段、欧姆接触孔、以及N-DBR上ITO层出光孔的限制，使电流注入时有三次注入范围限制，这样使得电流注入更加集中，减小收缩发光角度。
上述高效VCSEL芯片的制造方法具体如下：
S1.如图2所示，生长外延片，先在GaAs衬底10上按照常规的方法生长AlInP作为截止层20，截止层20的设计是为了后续在衬底10去除时可以终止衬底10的继续去除，防止伤害外延作业区域，在截止层20上生长30对以AlGaAs为材料的N-DBR 30，在N-DBR 30上生长量子阱40，量子阱40采用常规设计，量子阱40上生长Al0.98GaAs层5，随后在Al0.98GaAs层5上生长40对以AlGaAs为材料的P-DBR 60，最后生长以GaAs为材料的第一欧姆接触层70，即在截止层20上得到外延片。
S2.如图3所示，在第一欧姆接触层70上生长第一SiNx层80，并对第一SiNx层80进行蚀刻，得到欧姆接触孔，在欧姆接触孔位置以及第一SiNx层80上表面蒸镀一层Ti/Pt/Au作为第二欧姆接触层90，欧姆接触孔主要作用为限制电流注入范围。
S3.如图3所示，蒸镀散热层，在第二欧姆接触层上使用Cu蒸镀形成4000埃厚的薄Cu层101，薄Cu层的设计为后续电镀Cu的附着做基础，接着用Cu电镀形成70um厚的厚Cu层102，电镀厚Cu层后用键合机台进行高温压合，使得厚Cu层结构更加紧密，再对厚Cu层的表面进行上胶，并光刻形成若干独立的胶柱，在若干胶柱之间的空隙内电镀一层Cu，去除胶柱，形成分布有散热孔的多孔Cu层103，多孔Cu层103的结构示意图如图8所示，散热孔130可以增大芯粒接通电流后的散热面积。这里采用Cu材料制成的散热层既可以用来散热，又可以用来作为P-contact。
S4.如图4所示，采用常规方法将形成的片源中的GaAs衬底10和截止层20去除，使用NH4OH和H2O2去除GaAs衬底，使用HCl和H3PO4去除截止层，如图5所示，翻转片源使N-DBR 30朝上，使用ICP干蚀刻的方式将N-DBR 30、量子阱40、氧化层50的侧面至P-DBR 60，形成台柱，并对Al0.98GaAs层5进行氧化处理，形成未氧化段51和氧化段52，未氧化段51和氧化段52构成氧化层50，用来限制电流注入范围。
S5.如图6所示，在N-DBR 30上生长一层第二SiNx层110，并在第二SiNx层110的中间位置通过蚀刻形成出光孔120，用来限制电流注入范围，使用E-ITO在出光孔120位置和第二SiNx层110镀上ITO层140作为电流扩展层。
S6.如图7所示，在第二SiNx层110和ITO层140上，采用材料AuGe、Au蒸镀形成N-contact150。
上述制造方法制造得到的VCSEL芯片中电镀的厚Cu层以及使用Cu做出的散热孔使芯片更容易散热，这样可以提高饱和电流值，进而提高功率效率及斜率效率。欧姆接触孔及ITO层有着电流强制扩散的效果，使得当电流集中注入时分布更加均匀，减少了横模的产生。此外，氧化后的氧化层、欧姆接触孔以及N-DBR上ITO层出光孔的限制，使电流注入时有三次注入范围限制，这样电流注入更加集中，减小收缩了发光角度。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (8)
1.一种高效VCSEL芯片，其特征在于，包括散热层、外延片，所述散热层包括重叠生长的多层Cu层，所述散热层的底层成型有若干散热孔，所述外延片包括依次重叠生长的N-DBR、量子阱、氧化层、P-DBR和第一欧姆接触层，所述外延片背离第一欧姆接触层的一侧依次生长有第二SiNx层、ITO层和N-contact；
所述第一欧姆接触层以GaAs为材料，所述第一欧姆接触层上生长有第一SiNx层，所述第一SiNx层被蚀刻出欧姆接触孔，所述欧姆接触孔内填充有第二欧姆接触层，所述第二欧姆接触层的截面呈倒T字形且覆盖在第一SiNx层上，所述第二欧姆接触层与散热层连接；
所述N-DBR、量子阱、氧化层的侧面被蚀刻至P-DBR形成台柱，所述第二SiNx层蒸镀形成在台柱的侧面和顶面以及P-DBR的上表面，所述第二SiNx层在N-DBR顶面形成出光孔，所述ITO层的截面呈T字形且填充出光孔并覆盖在第二SiNx层上，所述第二SiNx层和ITO层上均蒸镀有金属材料作为N-contact，所述N-contact在ITO层顶面于出光孔对应的位置形成有孔。
2.根据权利要求1所述的一种高效VCSEL芯片，其特征在于，所述散热层包括重叠生长的厚度为4000埃的薄Cu层、厚度为70um的厚Cu层和多孔Cu层，所述多孔Cu层分布有若干散热孔。
3.根据权利要求2所述的一种高效VCSEL芯片，其特征在于，所述散热孔为圆形、方形、三角形中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种高效VCSEL芯片，其特征在于，所述N-DBR包括30对层叠生长的反射单元，所述P-DBR包括40对层叠生长的反射单元，所述反射单元为AlGaAs层。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种高效VCSEL芯片，其特征在于，所述氧化层包括未氧化段和包围所述未氧化段的氧化段，所述未氧化段由Al0.98GaAs生长形成。
6.一种高效VCSEL芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
生长外延片，先在GaAs衬底上依次生长截止层、N-DBR、量子阱、Al0.98GaAs层、P-DBR和第一欧姆接触层；
在第一欧姆接触层上生长第一SiNx层，并对第一SiNx层进行蚀刻，得到欧姆接触孔，在欧姆接触孔位置以及第一SiNx层上表面蒸镀一层金属作为第二欧姆接触层；
蒸镀散热层，所述蒸镀散热层具体操作如下：在第二欧姆接触层上使用Cu蒸镀形成4000埃厚的薄Cu层，接着用Cu电镀形成70um厚的厚Cu层，在厚Cu层上生长分布有若干散热孔的多孔Cu层；
去除GaAs衬底和截止层，翻转片源使N-DBR朝上，蚀刻N-DBR、量子阱、Al0.98GaAs层的侧面至P-DBR，形成台柱，并对Al0.98GaAs层进行部分氧化处理形成氧化段和未氧化段，氧化段和未氧化段构成氧化层；
在N-DBR上生长第二SiNx层并在第二SiNx层的中间位置通过蚀刻形成出光孔，在出光孔位置和第二SiNx层镀上ITO层；
在第二SiNx层和ITO层上蒸镀金属形成N-contact。
7.根据权利要求6所述的一种高效VCSEL芯片的制造方法，其特征在于，所述多孔Cu层的生长操作如下：电镀厚Cu层后用键合机台进行高温压合，再对厚Cu层的表面进行上胶，并光刻形成若干独立的胶柱，在若干胶柱之间的空隙内电镀一层Cu，去除胶柱，形成分布有散热孔的多孔Cu层。
8.根据权利要求6-7任一所述的一种高效VCSEL芯片的制造方法，其特征在于，所述生长外延片步骤具体为：先在GaAs衬底上生长AlInP作为截止层，在截止层上生长30对以AlGaAs为材料的N-DBR，在N-DBR上生长量子阱，量子阱上生长Al0.98GaAs层，随后在Al0.98GaAs层上生长40对以AlGaAs为材料的P-DBR，最后生长以GaAs为材料的第一欧姆接触层，即在截止层上得到外延片。
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