CN110957635A - 一种实现偏振控制的vcsel器件及其制备方法 - Google Patents

一种实现偏振控制的vcsel器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现偏振控制的VCSEL器件及其制备方法，由第一方向两侧的两个第一沟道和第二方向两侧的两个第二沟道限定出台面结构；所述第一沟道和所述第二沟道上包括有第一氧化层和第二氧化层，所述第一氧化层由第一沟道向所述台面结构内部延伸，所述第二氧化层由第二沟道向所述台面结构内部延伸；所述第一氧化层的层数与所述第二氧化层的层数不同和/或所述第一氧化层的氧化长度与第二氧化层的氧化长度不同。本发明所公开的技术方案通过氧化层的不同面积、不同长度、不同层数造成两个方向的应力不同，可以做到不影响VCSEL的能量转换效率，同时能够减少VCSEL器件的制作成本。

Description

一种实现偏振控制的VCSEL器件及其制备方法
技术领域
本发明属于VCSEL芯片技术领域，具体涉及一种实现偏振控制的VCSEL器件及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL，又译垂直共振腔面射型激光）是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同。VCSEL因为其低功耗，易于集成等优势，目前广泛应用在3D感测以及光通信和光存储等领域。
控制VCSEL的偏振方向有助于提高模式稳定性，改善相干性和实现较高的光学整形自由度，以控制发射光通过光学元件（例如漫射器和衍射光学元件（DOE））的透射和反射。这些优势对于光通信和3D传感中的应用至关重要。
现有技术中的VCSE器件发射光可以以两种线性偏振模式存在，这两种模式沿[110]和[1-10]晶体方向发射光。通常，VCSEL器件的光学模式将沿着这两个方向随机出现，并可能随时间变化或在不同的电流注入条件下来回切换。现有技术中对于两个偏振方向的光进行控制的方式是在两个偏振方向上增加栅形的偏振结构，例如在VCSEL的出光孔表面沉积栅形金属。现有技术中的技术方案存在两个方面的问题：第一，在VCSEL的出光孔表面沉积栅形金属会使得VCSEL器件产生一半甚至更多的光损耗，导致能量转换效率的降低。第二，VCSEL的出光孔表面沉积栅形金属会增加器件的制造成本。
发明内容
本发明提供一种VCSEL器件及其制备方法，通过氧化层的不同面积、不同长度、不同层数造成两个方向的应力不同，可以做到不影响VCSEL的能量转换效率。
根据本发明的一个方面，一种实现偏振控制的VCSEL器件，包括：由第一方向两侧的两个第一沟道和第二方向两侧的两个第二沟道限定出台面结构；所述第一沟道和所述第二沟道上包括有第一氧化层和第二氧化层，所述第一氧化层由第一沟道向所述台面结构内部延伸，所述第二氧化层由第二沟道向所述台面结构内部延伸；所述第一氧化层的层数与所述第二氧化层的层数不同和/或所述第一氧化层的氧化长度与第二氧化层的氧化长度不同。
优选地，所述第一沟道的刻蚀深度与所述第二沟道的刻蚀深度不同。
优选地，所述第一沟道的中心切线方向与所述第二沟道的中心切线方向垂直。
优选地，所述第一沟道包括离子注入区和/或所述第二沟道包括离子注入区。
优选地，所述第一沟道和第二沟道具有不同的Al组分含量使得其在氧化过程中氧化速率不同。
根据本发明的一个方面，一种实现偏振控制的VCSEL器件的制备方法，包括：步骤S01：在外延层第一方向的两侧刻蚀形成两个第一沟道，在第二方向的两侧刻蚀形成两个第二沟道；所述第一沟道和所述第二沟道限定所述VCSEL器件的台面结构；步骤S02：由所述第一沟道和所述第二沟道向所述台面结构内部进行氧化形成第一氧化层和第二氧化层；所述第一氧化层的氧化层数与所述第二氧化层的氧化层数不同和/或所述第一氧化层的氧化长度与所述第二氧化层的氧化长度不同。
优选地，所述第一沟道的刻蚀深度与所述第二沟道的刻蚀深度不同。
优选地，所述步骤S01还包括对所述第一沟道进行氧化再用电介质进行保护的步骤。
优选地，所述第一沟道与所述第二沟道垂直。
优选地，所述氧化包括通过所述第一沟道和第二沟道中Al组分含量调节所述第一方向或所述第二方向的氧化速率。
优选地，还包括：向所述第一沟道进行离子注入和/或向所述第二沟道进行离子注入，通过所述离子注入能够消除对应方向的部分应力。
本发明的有益效果：
本发明提供一种控制偏振极化方向的方法，通过氧化层的不同面积、不同长度、不同层数造成两个方向的应力不同，可以做到不影响VCSEL的能量转换效率，同时本发明还可以降低VCSEL的制作成本。
附图说明
图1示出的是本发明实施例1中第一方向刻蚀和第二方向刻蚀剖面示意图；
图2示出的是本发明实施例3中第一方向刻蚀和第二方向刻蚀剖面示意图；
图3示出的是本发明实施例4中第一方向刻蚀和第二方向刻蚀剖面示意图；
图4示出的是本发明实施例5中第二方向刻蚀和第二方向刻蚀剖面示意图；
图5示出的是本发明实施例4中两个方向器件氧化层示意图;
图6示出的是本发明实施例中VCSEL器件的层状结构示意图。
附图标记包括：金属层1、p型分布式布拉格反射器（p-DBR）2、目标氧化层3、量子阱发光层（QW）4、n型分布式布拉格反射器（n-DBR）5、n型衬底、6以及发光光束7。
具体实施方式
现在将参照若干示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。
如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。
本发明教导了一种VCSEL器件及其制备方法，所述VCSEL器件的层状结构可采用如图6所示的典型结构。其中，各层分别为：金属层1、p型分布式布拉格反射器（p-DBR）2、目标氧化层3、量子阱发光层（QW）4、n型分布式布拉格反射器（n-DBR）5、n型衬底、6以及发光光束7。
实施例1：
本发明实施例提供了一种VCSEL器件及其制备方法，如图1所示，本实施例中针对DBR高铝组分层和目标氧化层不同偏振方向进行刻蚀并进行氧化，达到不同方向上具有不同氧化长度的结构，以此来实现对VCSEL器件两个偏振方向的光进行控制的效果。氧化长度是指目标氧化层在氧化过程中向内氧化的长度。器件制备方式如下：
步骤1：刻蚀VCSEL器件外延层的第一方向的两侧形成两个第一沟道，由第一沟道向外延层内部进行氧化形成第一氧化层，氧化时间为X；
步骤2：刻蚀VCSEL器件外延层的第二方向的两侧形成两个第二沟道，由第一沟道和第二沟道限定所述VCSEL器件的台面结构；
步骤3：由第二沟道向台面结构内部进行氧化形成第二氧化层，氧化时间为Y；在氧化第二沟道的同时，第一沟道也被氧化，此时第一沟道的第一氧化层的氧化时间为X+Y；通过此种方式使得第一氧化层的氧化时间和第二氧化层的氧化时间不同，进而使得第一氧化层的氧化长度不同于第二氧化层的氧化长度；或者通过控制两次刻蚀使得第一沟道与台面结构中心的距离和第二沟道与台面结构中心的距离不同，对第一沟道和第二沟道进行时间相同的氧化，以此使得第一氧化层的氧化长度与第二氧化层的氧化长度不同。
以此制备方式形成的VCSEL器件，第一氧化层的氧化长度不同于第二氧化层的氧化长度。
实施例2：
本发明实施例提供了一种VCSEL器件及其制备方法，如图1所示，本实施例中针对DBR高铝组分层和目标氧化层不同偏振方向进行刻蚀并进行氧化，达到不同方向上具有不同氧化长度的结构，以此来实现对VCSEL器件两个偏振方向的光进行控制的效果，器件制备方式如下：
步骤1：刻蚀VCSEL器件外延层的第一方向的两侧形成两个第一沟道，由第一沟道向外延层内部进行氧化形成第一氧化层，在第一沟道的侧壁上采用电介质进行保护；
步骤2：刻蚀VCSEL器件外延层的第二方向的两侧形成两个第二沟道，由第一沟道和第二沟道限定所述VCSEL器件的台面结构；
步骤3：由第二沟道向台面结构内部进行氧化形成第二氧化层，通过控制第二氧化层的氧化时间使得第一氧化层的氧化长度不同于第二氧化层的氧化长度
以此制备方式形成的VCSEL器件，第一氧化层的氧化长度不同于第二氧化层的氧化长度。
实施例3：
本发明实施例提供了一种VCSEL器件及其制备方法，如图2所示，本实施例中针对DBR高铝组分层和目标氧化层不同偏振方向进行刻蚀并进行氧化，达到不同方向上具有不同氧化层数的结构，以此来实现对VCSEL器件两个偏振方向的光进行控制的效果，器件制备方式如下：
步骤1：VCSEL器件外延层包括两层或者两层以上的目标氧化层，目标氧化层之间通过阻止层隔开，通过阻止层以及沟道刻蚀的时间可以控制沟道刻蚀的深度，通过沟道刻蚀的深度用来控制侧壁暴露在外的目标氧化层的数目。刻蚀VCSEL器件外延层的第一方向的两侧形成两个第一沟道；第一沟道的深度为H1，使得两层或者两层以上的目标氧化层侧壁暴露在外。
步骤2：刻蚀VCSEL器件外延层的第二方向的两侧形成两个第二沟道，由第一沟道和第二沟道限定所述VCSEL器件的台面结构；第二沟道的深度为H2，第一沟道的深度H1大于第二沟道的深度H2，使得第二沟道侧壁暴露在外的目标氧化层数小于通过第一沟道侧壁暴露在外的目标氧化层数。
步骤3：由第一沟道和第二沟道向所述台面结构内部进行氧化形成第一氧化层和第二氧化层，第一氧化层的氧化层数大于第二氧化层的氧化层数。
以此制备方式形成的VCSEL器件，第一氧化层的氧化层数大于第二氧化层的氧化层数。
实施例4：
在对VCSEL器件的目标氧化层进行氧化的过程中，如图3所示，本实施例中DBR高铝组分层也会发生氧化；DBR高铝组分层和目标氧化层的氧化速率比例大于1/10。在发光平面的两个不同方向上，通过刻蚀使得一个方向的刻蚀沟道比另一个方向深，在氧化过程中，由于DBR高铝组分层也会被氧化，导致较深的刻蚀沟道比另一个刻蚀沟道在氧化过程中有多于1层的DBR高铝组分层的外侧被氧化。
本实施例中针对不同偏振方向进行氧化层刻蚀并进行氧化，达到不同方向上具有不同刻蚀深度的沟道，进而在氧化过程中形成第一方向和第二方向的氧化层层数不同的器件结构，以此来实现对VCSEL器件两个偏振方向的光进行控制的效果，器件制备方式如下：
步骤1：刻蚀VCSEL器件外延层的第一方向的两侧形成两个第一沟道；
步骤2：刻蚀VCSEL器件外延层的第二方向的两侧形成两个第二沟道，由第一沟道和第二沟道限定所述VCSEL器件的台面结构；第一沟道的刻蚀深度深于第二沟道的刻蚀深度；
步骤3：由第一沟道和第二沟道向台面结构内部进行氧化形成第一氧化层和第二氧化层，第一氧化层的氧化层数为37层，第二氧化层的氧化层数为32层。
以此制备方式形成的VCSEL器件，在其两个第一沟道上具有37层氧化层，在两个第二沟道上具有32层氧化层。
实施例5：
在对VCSEL器件的目标氧化层进行氧化的过程中，如图4所示，本实施例中通过离子注入的方式能够钝化消除部分应力。本实施例中针对不同偏振方向进行氧化层刻蚀并进行氧化后，针对不同偏振方向进行离子注入，达到不同方向上具有不同的离子钝化区的器件结构，以此来实现对VCSEL器件两个偏振方向的光进行控制的效果。离子注入的元素为H、He、B、Al的一种或几种，离子注入的计量为1E13-1E15个离子/cm2，离子注入的深度为1-6μm。器件制备方式如下：
步骤1：刻蚀VCSEL器件外延层的第一方向的两侧形成两个第一沟道；
步骤2：刻蚀VCSEL器件外延层的第二方向的两侧形成两个第二沟道，由第一沟道和第二沟道限定所述VCSEL器件的台面结构；
步骤3：由第一沟道和第二沟道向所述台面结构内部进行氧化形成第一氧化层和第二氧化层，第一氧化层的氧化层数与第二氧化层的氧化层数相等，且第一氧化层的氧化长度与第二氧化层的氧化长度相同。
步骤4：针对第一氧化层和第二氧化层进行离子注入，使得第一氧化层的离子注入面积大于第二氧化层的离子注入面积。
实施例6：
在对VCSEL器件的目标氧化层进行氧化的过程中，如图4所示，本实施例中通过离子注入的方式能够钝化消除部分应力。本实施例中针对不同偏振方向进行氧化层刻蚀并进行氧化后，针对不同偏振方向进行离子注入，达到不同方向上具有不同的离子钝化区的器件结构，以此来实现对VCSEL器件两个偏振方向的光进行控制的效果。离子注入的元素为H、He、B、Al的一种或几种，离子注入的计量为1E13-1E15个离子/cm2，离子注入的深度为1-6μm。器件制备方式如下：
步骤1：刻蚀VCSEL器件外延层的第一方向的两侧形成两个第一沟道；
步骤2：刻蚀VCSEL器件外延层的第二方向的两侧形成两个第二沟道，由第一沟道和第二沟道限定所述VCSEL器件的台面结构；
步骤3：由第一沟道和第二沟道向所述台面结构内部进行氧化形成第一氧化层和第二氧化层，第一氧化层的氧化层数与第二氧化层的氧化层数相等，且第一氧化层的氧化长度与第二氧化层的氧化长度相同。
步骤4：针对第一氧化层和第二氧化层进行离子注入，使得第一氧化层的离子注入剂量大于第二氧化层的离子注入剂量。
实施例7：
在对VCSEL器件的目标氧化层进行氧化的过程中，如图4所示，本实施例中通过离子注入的方式能够钝化消除部分应力。本实施例中针对不同偏振方向进行氧化层刻蚀并进行氧化后，针对不同偏振方向进行离子注入，达到不同方向上具有不同的离子钝化区的器件结构，以此来实现对VCSEL器件两个偏振方向的光进行控制的效果。离子注入的元素为H、He、B、Al的一种或几种，离子注入的计量为1E13-1E15个离子/cm2，离子注入的深度为1-6μm。器件制备方式如下：
步骤1：刻蚀VCSEL器件外延层的第一方向的两侧形成两个第一沟道；
步骤2：刻蚀VCSEL器件外延层的第二方向的两侧形成两个第二沟道，由第一沟道和第二沟道限定所述VCSEL器件的台面结构；
步骤3：由第一沟道和第二沟道向所述台面结构内部进行氧化形成第一氧化层和第二氧化层，第一氧化层的氧化层数与第二氧化层的氧化层数相等，且第一氧化层的氧化长度与第二氧化层的氧化长度相同。
步骤4：针对第一氧化层和第二氧化层进行离子注入，使得第一氧化层的离子注入深度大于第二氧化层的离子注入深度。
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 (11)

1.一种实现偏振控制的VCSEL器件，其特征在于，包括：由第一方向两侧的两个第一沟道和第二方向两侧的两个第二沟道限定出台面结构；所述第一沟道和所述第二沟道上包括有第一氧化层和第二氧化层，所述第一氧化层由第一沟道向所述台面结构内部延伸，所述第二氧化层由第二沟道向所述台面结构内部延伸；所述第一氧化层的层数与所述第二氧化层的层数不同和/或所述第一氧化层的氧化长度与第二氧化层的氧化长度不同。
2.根据权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于，所述第一沟道的刻蚀深度与所述第二沟道的刻蚀深度不同。
3.根据权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于，所述第一沟道的中心切线方向与所述第二沟道的中心切线方向垂直。
4.根据权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于，所述第一沟道包括离子注入区和/或所述第二沟道包括离子注入区。
5.根据权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于，所述第一沟道和第二沟道具有不同的Al组分含量使得其在氧化过程中氧化速率不同。
6.一种实现偏振控制的VCSEL器件的制备方法，其特征在于，包括：
步骤S01：在外延层第一方向的两侧刻蚀形成两个第一沟道，在第二方向的两侧刻蚀形成两个第二沟道；所述第一沟道和所述第二沟道限定所述VCSEL器件的台面结构；
步骤S02：由所述第一沟道和所述第二沟道向所述台面结构内部进行氧化形成第一氧化层和第二氧化层；所述第一氧化层的氧化层数与所述第二氧化层的氧化层数不同和/或所述第一氧化层的氧化长度与所述第二氧化层的氧化长度不同。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一沟道的刻蚀深度与所述第二沟道的刻蚀深度不同。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S01还包括对所述第一沟道进行氧化再用电介质进行保护的步骤。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一沟道与所述第二沟道垂直。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述氧化包括通过所述第一沟道和第二沟道中Al组分含量调节所述第一方向或所述第二方向的氧化速率。
11.根据权利要求6-10任一所述的制备方法，其特征在于，还包括：向所述第一沟道进行离子注入和/或向所述第二沟道进行离子注入，通过所述离子注入能够消除对应方向的部分应力。
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