CN111029901A - 垂直腔面发射激光器的结构及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种垂直腔面发射激光器的结构及制造方法，其中方法包括：分别形成第一反射器层、氧化层、发光层及第二反射器层，发光层具有至少一个发光区域；于各发光区域的正上方形成圆形电隔离保护区，对电隔离保护区外的区域进行质子或离子隔离注入以形成电隔离区域，电隔离区域至少覆盖所述发光区域外侧的氧化层。上述方案，电隔离区域的覆盖区域对电流的流经路径进行局限，使得一个发光区域的正、负电极、施加电压后，电流经该电隔离区域所环绕的非绝缘区域，而不会流经到电隔离区域之外，提高了激光器的可靠性。同时，各发光区所流经的电流均匀，使得各发光区的亮度一致性高，提高了垂直腔面发射激光器的品质。

Description

垂直腔面发射激光器的结构及制造方法
技术领域
本发明一般涉及激光器技术领域，具体涉及一种垂直腔面发射激光器的制造方法。
背景技术
垂直腔面发射激光(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser； VCSEL)器包括正电极、第一反射器层、发光层、氧化层、第二反射器层及正电极等构成，在正、负电极接通电源时，正电极、第一反射器层、发光层、第二反射器层及正电极之间形成电流通路，使得发光层发光。一般垂直腔面发射激光器上由多个发光区，在不对各发光区进行电隔离的情况下，电流大多流经正、负电极间电阻较小的部位，造成各发光区所流经的电流差异较大，使得各发光区的亮度不均，影响垂直腔面发射激光器的品质。
发明内容
本申请期望提供一种垂直腔面发射激光器的制造方法，用于解决现有技术中各发光区所流经的电流差异较大，使得各发光区的亮度不均，影响垂直腔面发射激光器的品质。
第一方面，本发明提供一种垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：
分别形成第一反射器层、氧化层、发光层及第二反射器层，所述发光层具有至少两个发光区域；
于各所述发光区域的正上方形成圆形电隔离保护区，对所述电隔离保护区外的区域进行质子或离子隔离注入以形成电隔离区域，所述电隔离区域至少覆盖所述发光区域外侧的氧化层。
作为一种可实现方式，所述电隔离区域还至少覆盖所述第一反射器层、所述发光层和第二反射器层中任一的至少部分。
作为一种可实现方式，在形成所述电隔离区域之前，在所述第二反射器层上形成连接电极。
作为一种可实现方式，所述发光层包括层叠设置的有源层和氧化层；
在形成所述连接电极后，对所述氧化层进行氧化处理，以在所述氧化层形成氧化区域和第二未氧化区域，所述氧化区域环绕第二未氧化区域，所述第二未氧化区域用于界定激光出射窗。
作为一种可实现方式，形成氧化沟槽，所述氧化沟槽至少自所述第二反射器层延伸至所述第一反射器层；
在所述氧化沟槽内通过湿法氧化工艺，使所述氧化层自所述氧化沟槽向内形成环绕所述第二未氧化区域的所述氧化区域。
作为一种可实现方式，所述圆形电隔离保护区的边界，介于所述氧化沟槽的边界与所述激光出射窗的边界之间。
作为一种可实现方式，所述有源层和所述氧化层两者中的一个与所述第一反射器层连接，另外一个与所述第二反射器层连接；
作为一种可实现方式，所述氧化层设置为两层，所述有源层位于两层所述氧化层之间，其中一层所述氧化层与所述第一反射器层连接，另外一层所述氧化层与所述第二反射器层连接。
作为一种可实现方式，所述第一反射器层和所述第二反射器层中两者中的一个为N型反射器层，另外一个为P型反射器层。
作为一种可实现方式，所述第一反射器层及所述第二反射器层为布拉格反射器层和高对比度光栅层中的至少一种。
作为一种可实现方式，形成多个所述发光区域，多个所述发光区域矩阵排布或随机排布。
作为一种可实现方式，在质子或离子注入后，进行退火处理，使质子或离子注入路径上，位于电隔离区域之上的各层恢复导电性。
上述方案，通过质子或离子隔离注入的方式形成了至少覆盖两相邻发光区域之间氧化层中第一未氧化区域的电隔离区域。需要指出的是，所述电隔离区域的覆盖区域对电流的流经路径进行局限，使得一个发光区域的正、负电极、施加电压后，电流经该电隔离区域所环绕的非绝缘区域，而不会流经到电隔离区域之外，提高了激光器的可靠性。同时，各发光区所流经的电流均匀，使得各发光区的亮度一致性高，提高了垂直腔面发射激光器的品质。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的垂直腔面发射激光器的制造方法的示意图；
图2为实施本发明制造方法获得的其中一个垂直腔面发射激光器的俯视图，
图3-图6为以图2的A-A剖面视角实施该发明垂直腔面发射激光器的制造方法的制造过程示意图；
图7为显示两个发光区域的俯视图；
图8为图7的B-B剖面图；
图9为显示两个发光区域另外一种排布方式的俯视图；
图10为图9的C-C剖面图；
图11为退火处理后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本发明实施例提供一种垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：
S1:分别形成第一反射器层、发光层、氧化层及第二反射器层，所述发光层具有至少一个发光区域；
提供一基底；该基底可为GaAs基底。
在基底上形成第一反射器层；第一反射器层可包括由AlGaAs和 GaAs两种不同折射率的材料层叠构成；基底及第一反射器层可均为N 型或均为P型。
在第一反射器层上形成发光层或氧化层。
例如，在第一反射器层上形成氧化层，在氧化层上形成发光层。当然还可以在第一反射器层上形成发光层，在发光层上形成氧化层。或者，在第一反射器层上形成氧化层，在氧化层上形成发光层，在发光层上再形成一层氧化层等。发光层至少包括层叠设置的多量子阱层，多量子阱层由GaAs、AlGaAs、GaAsP及InGaAs材料层叠排列构成，发光层用以将电能转换为光能。当然，在某些示例中还可以采用单量子阱层代替多量子阱层。
相应地，在发光层或氧化层上形成第二反射器层；第二反射器层可包括由AlGaAs和GaAs两种不同折射率的材料层叠构成，第二反射器层可为P型或N型。当第一反射器层为N型时，第二反射器层为P 型；相应地，当第一反射器层为P型时，第二反射器层为N型。
S2:于各所述发光区域的正上方形成圆形电隔离保护区，对所述电隔离保护区外的区域进行质子或离子隔离注入以形成电隔离区域，所述电隔离区域至少覆盖所述发光区域外侧的氧化层。
如图2所示，例如但不限于，在发光区域的正上方形成圆形电隔离保护区20，该电隔离保护区20可以是圆形的光刻胶层，在质子或离子隔离注入结束后去除该光刻胶层等，其主要作用是在质子或离子隔离注入时，对其下方的各层起到保护作用，防止其下的各层在质子或离子隔离注入时被绝缘化。圆形电隔离保护区的直径根据实际需要设定。圆形电隔离保护区形成于第二反射器层成型之后，其可以形成于第二反射器层上，也可形成于第二反射器层之上的连接电极层之上等，其设置在第二反射器层及之后形成的各层上均可，具体工艺顺序可以相应调整。
电隔离区域至少覆盖发光区域外侧的氧化层，以提供较佳的电流局限作用，另外还使得两相邻发光区域之间氧化层中第一未氧化区域 42也得以绝缘，这里所说的覆盖并非指电隔离区域在第一未氧化区域 42之上，而是与第一未氧化区域42融为一体，且其可以根据实际需要设定融合的深度，即电隔离区域可以完全贯通第一未氧化区域42，也可仅伸入到第一未氧化区域42一部分深度。
上述方案，通过质子或离子隔离注入的方式形成了至少覆盖发光区域之外的氧化层的电隔离区域。需要指出的是，所述电隔离区域的覆盖区域对电流的流经路径进行局限，使得一个发光区域的正、负电极、施加电压后，电流经该电隔离区域所环绕的非绝缘区域，而不会流经到电隔离区域之外，提高了激光器的可靠性。同时，各发光区所流经的电流均匀，使得各发光区的亮度一致性高，提高了垂直腔面发射激光器的品质。
作为一种可实现方式，除了在氧化层形成电隔离区域之外，还可以至少在第一反射器层、发光层和第二反射器层中任一的至少部分形成电隔离区域。
例如，在发光层、氧化层及第一反射器层形成电隔离区域，而不再第二反射器层形成电隔离区域。即，电隔离区域具有一定的厚度，且其厚度的起始位置不是从第二反射器层的顶面开始，形成此结构是按照预定的能量及浓度进行质子或离子注入，然后再按照预定温度及时长进行退火处理，使质子或离子注入路径上，位于期望所形成的电隔离区域之上的各层恢复导电性，如图11所示。
作为一种可实现方式，在形成所述电隔离区域之前，在所述第二反射器层上形成连接电极。
在第二反射器层上形成连接电极，然后再通过质子或离子隔离注入的方式形成电隔离区域。
可以通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式在第二反射器层上形成连接电极层，对该连接电极层进行图案化，以形成对应的连接电极。连接电极层可以是金属层，若第二反射器层为N型时，连接电极层是N型金属层，相应地，若第二反射器层为P型时，连接电极层是P型金属层。
作为一种可实现方式，所述发光层包括层叠设置的有源层和氧化层；有源层可以是多量子阱层(Multiple Quantum Well；MQW)或单量子阱层。
在形成所述连接电极后，对所述氧化层进行氧化处理，以在所述氧化层形成氧化区域和第二未氧化区域，所述氧化区域环绕第二未氧化区域，所述第二未氧化区域用于界定激光出射窗。例如但不限于通过湿法氧化工艺形成上述氧化区域。
作为一种可实现方式，形成至少自所述第二反射器层延伸至所述第一反射器层的氧化沟槽；
在氧化沟槽内通过湿法氧化工艺，使氧化层自氧化沟槽向内形成氧化区域，氧化区域环绕一未氧化区域，也即在采用湿法氧化工艺处理时，自氧化沟槽向内(图中的左右方向)，在氧化层上逐渐扩散形成预定宽度的氧化区域3，而剩余一部分不被氧化，未氧化区域用于界定激光出射窗，发光层发出的激光从激光出射窗照射至外部。
作为一种可实现方式，圆形电隔离保护区的边界，介于所述氧化沟槽的边界与所述激光出射窗的边界之间。使得至少激光出射窗所对应的区域不被离子或质子注入，并可最大范围延伸至氧化沟槽，在此结构下除了圆形电隔离保护区之外，其余部位均可以为绝缘的，提高了对电流的局限作用，正负电极间施加电压后，电流只经过圆形电隔离保护区，使得各发光区所流经的电流均匀，因此发光区的亮度一致性高，提高了垂直腔面发射激光器的品质。
作为一种可实现方式，有源层和氧化层均可以只设置一层，在这种情况下，有源层和氧化层两者中的一个与第一反射器层连接，另外一个与第二反射器层连接。
作为一种可实现方式，氧化层设置为两层，有源层设置为一层，在这种情况下，有源层位于两层氧化层之间，其中一层氧化层与第一反射器层连接，另外一层氧化层与第二反射器层连接。
作为一种可实现方式，第一反射器层和第二反射器层中两者中的一个为N型反射器层，另外一个为P型反射器层。
作为一种可实现方式，第一反射器层及第二反射器层为布拉格反射器层和高对比度光栅层中的至少一种。
第一反射器层及第二反射器层可以为布拉格反射器(Distributed BraggReflector；DBR)层和高对比度光栅(High Contrast Grating； HCG)层中的至少一种。即第一反射器层及第二反射器层可以均为DBR，或者第一反射器层及第二反射器层可以均为HCG，再或者第一反射器层及第二反射器层中的一个为HCG，另一个为DBR。
作为一种可实现方式，每一垂直腔面发射激光器具有多个发光区域，相应地制造时，形成多个发光区域，多个发光区域可以矩阵排布或随机排布。
以下以一种可实现方式为例对本发明所涉及的垂直腔面发射激光器的制造方法进行示例性说明，其不应理解为对本发明的唯一性限定，该示例中的特征可以用上述相关特征予以替换。
如图2、图3所示，提供一衬底，在该衬底上形成第一电极层6，第一电极层6可以是金属层，例如但不限于，该金属层可以是N型，通过化学气相沉积、电镀、溅射、蒸镀等方式形成第一电极层。N型金属层的材料可包括Au、Ag、Pt、Ge、Ti及Ni中的一种或组合，具体可根据需要进行选择。
在第一电极层6上形成N型布拉格反射器层5。
在N型布拉格反射器层5上形成多量子阱层4。
在多量子阱层4上形成氧化层3。
在氧化层3上形成P型布拉格反射器层2。
如图4所示，在P型布拉格反射器2层上形成P型金属层，对P 型金属层进行图案化以形成相应的P型电极10。该图案化可以在质子或离子隔离注入前进行，也可以在质子或离子隔离注入后进行。
可以通过刻蚀的方式形成氧化沟槽9，氧化沟槽9自P型布拉格反射器层2延伸至N型布拉格反射器层5。
通过湿法氧化工艺，例如在温度430℃下，2L/min的氮气携带一定温度的水蒸气进行选择性湿法氧化，氧化深度即图中左右方向的延伸深度由时间控制，以在氧化层3形成氧化区域11，氧化区域11围绕氧化层3中的未氧化区域12。
在湿法氧化工艺后，形成覆盖P型电极的介电层，介电层可包括氧化硅层及氮化硅层中的一种或组合。
如图5所示，通过质子或离子隔离注入的方式形成圆环形的电隔离区域16，电隔离区域16至少从P型布拉格反射器层2延伸到N型布拉格反射器层5。
在质子或离子隔离注入后，只有被上述圆形电隔离保护区20覆盖的部分未形成电隔离区域16，其余部分均形成有电隔离区域16，如图 7-10所示，除了被圆形电隔离保护区20覆盖的部分之外，两个相邻发光区域21之间的区域22均形成了电隔离区域16。每个发光区域21 例如但不限于可以理解为一个激光单元。另外，圆形电隔离保护区20 可以覆盖电极的一部分，未被圆形电隔离保护区20覆盖的电极的另外一部分的下面亦会被质子或离子隔离注入形成电隔离区域16，但该部分由于电极的遮挡作用，其形成的电隔离区域16的厚度较其他部分的要薄一些。
如图5所示，去除P型电极10上方的介电层13，通过电镀等方式形成与N型电极连接的N型电极连接层14。
需要理解的是，上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (12)

1.一种垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括：
分别形成第一反射器层、氧化层、发光层及第二反射器层，所述发光层具有至少一个发光区域；
于各所述发光区域的正上方形成圆形电隔离保护区，对所述电隔离保护区外的区域进行质子或离子隔离注入以形成电隔离区域，所述电隔离区域至少覆盖所述发光区域外侧的氧化层。
2.根据权利要求1所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述电隔离区域还至少覆盖所述第一反射器层、所述发光层和第二反射器层中任一的至少部分。
3.根据权利要求1所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，在形成所述电隔离区域之前，在所述第二反射器层上形成连接电极。
4.根据权利要求3所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于；
在形成所述连接电极后，对所述氧化层进行氧化处理，以在所述氧化层形成氧化区域和第二未氧化区域，所述氧化区域环绕所述第二未氧化区域，所述第二未氧化区域用于界定激光出射窗。
5.根据权利要求4所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，形成氧化沟槽，所述氧化沟槽至少自所述第二反射器层延伸至所述第一反射器层；
在所述氧化沟槽内通过湿法氧化工艺，使所述氧化层自所述氧化沟槽向内形成环绕所述第二未氧化区域的所述氧化区域。
6.根据权利要求5所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述圆形电隔离保护区的边界，介于所述氧化沟槽的边界与所述激光出射窗的边界之间。
7.根据权利要求1-6任一项所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述有源层和所述氧化层两者中的一个与所述第一反射器层连接，另外一个与所述第二反射器层连接。
8.根据权利要求1-6任一项所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述氧化层设置为两层，所述有源层位于两层所述氧化层之间，其中一层所述氧化层与所述第一反射器层连接，另外一层所述氧化层与所述第二反射器层连接。
9.根据权利要求1-6任一项所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述第一反射器层和所述第二反射器层中两者中的一个为N型反射器层，另外一个为P型反射器层。
10.根据权利要求1-6任一项所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述第一反射器层及所述第二反射器层为布拉格反射器层和高对比度光栅层中的至少一种。
11.根据权利要求1-6任一项所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，形成多个所述发光区域，多个所述发光区域矩阵排布或随机排布。
12.根据权利要求1-6任一项所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，在质子或离子注入后，进行退火处理，使质子或离子注入路径上，位于电隔离区域之上的各层恢复导电性。
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