CN111029904B - 一种AlGaAs外延层光照氧化方法 - Google Patents

一种AlGaAs外延层光照氧化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种AlGaAs外延层光照氧化方法，包括：步骤S01：采用GaAs衬底生长AlGaAs外延层；步骤S02：在所述AlGaAs外延层上生长透射外延层，刻蚀所述透射外延层和所述AlGaAs外延层形成沟道，采用光照装置照射所述沟道；或直接采用光照装置通过显微镜物镜照射所述AlGaAs外延层；步骤S03：记录所述AlGaAs外延层由第一折射率变化为第二折射率的氧化时间，观测确认被氧化的区域的氧化宽度或氧化厚度并计算氧化速率。采用光照加速氧化的方法，使生长的AlGaAs外延层在常温空气中进行快速氧化，同时可快速判定AlGaAs外延层氧化速率。

Description

一种AlGaAs外延层光照氧化方法
技术领域
本发明属于垂直腔面激光器技术领域，具体涉及一种AlGaAs外延层光照氧化方法。
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）是一种半导体激光器，其激光垂直于表面射出，与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。
VCSEL比边射型激光器多了许多优点。边射型激光器需要在晶圆级制程后，进行解离并镀膜，然后才可进行测试。若一个边射型激光器无法运作，不论是因为接触不良或者是物质成长的品质不好，都会浪费制作过程与物质加工的处理时间。然而VCSEL可以在芯片解离之前进行晶圆级测试，生产制造及测试过程相对边射型激光器成本更低。
VCSEL形成电限制所需的高Al组份AlGaAs外延层的氧化速率对Al含量的变化特别敏感。精确控制AlGaAs外延层的组份稳定性是MOCVD生长VCSEL外延片的关键技术。高Al组份AlGaAs外延层是间接带隙，在外延表征里面，通常只有通过XRD Omega测试的PeakSeparation来判定其组份。XRD测试Peak Separation 的精度较弱，无法满足氧化层Al组份精确控制的要求。
现有技术中监控及测量氧化速率常用的技术手段是通过完成VCSEL湿法氧化工艺，测量氧化孔的尺寸大小，以此来测定氧化层的氧化速率。该方法存在以下问题：1.该方法工艺复杂，耗时过长，无法作为MOCVD外延生长的标准校准手段；2.目前采用的湿法氧化工艺，不仅需要价格高昂的高温高湿氧化炉，同时对氧化炉本身的工艺稳定性要求极高，工艺条件稍有变化，即会引起氧化速率的剧烈波动。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种AlGaAs外延层光照氧化方法，其特征在于，包括：步骤S01：采用GaAs衬底生长AlGaAs外延层；步骤S02：在所述AlGaAs外延层上生长透射外延层，刻蚀所述透射外延层和所述AlGaAs外延层形成沟道，采用光照装置照射所述沟道；或直接采用光照装置通过显微镜物镜照射所述AlGaAs外延层；步骤S03：记录所述AlGaAs外延层由第一折射率变化为第二折射率的氧化时间，观测确认被氧化的区域的氧化宽度或氧化厚度并计算氧化速率。
优选地，所述沟道贯穿于所述透射外延层和所述AlGaAs外延层，与所述GaAs衬底接触。
优选地，所述透射外延层采用单层可透射波长小于800nm的无Al外延层，或采用不同折射率无Al外延层配对组成的透射DBR，或采用其他工艺制作的透光介质材料。
优选地，所述光照装置包括以黑体辐射原理发光的灯具或发光器件或波长涵盖红外至紫外光的发光器件。
优选地，所述氧化速率的计算方式为：氧化速率=氧化宽度/氧化时间或氧化厚度/氧化时间。
本发明的有益效果是：采用光照加速氧化的方法，使生长的AlGaAs外延层在常温空气中进行快速氧化，可降低VCSEL氧化工艺的复杂性；本发明提供的技术方案无需高温高湿氧化炉，降低了VCSEL氧化工艺的成本；同时，本发明提供的技术方案可快速判定AlGaAs外延层氧化速率，进而能够判定AlGaAs外延层中Al组分的含量。
附图说明
图1为本发明的实施例1采用沟道进行氧化过程的器件结构示意图；
图2为本发明的实施例2采用具有固定光强照射功能的显微镜进行氧化过程的器件结构示意图。
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”。
本发明提供了一种AlGaAs外延层光照氧化方法，该方法采用的光辅助对AlGaAs外延层进行快速氧化。本发明提供的方法是基于一种光激发的化学反应。AlGaAs外延层的湿法氧化过程需在高温下进行，一般400℃可达到较高的氧化速率，对应的激活能可被可见光的光子能量覆盖。同时，本发明中采用的光照装置发出的高能紫外光可以起到拆散O2分子的作用，使O2分子变成O原子，从而进一步加速氧化反应过程。本发明中所提到的光照装置可以采用以黑体辐射原理发光的灯具或发光器件，也可采用波长涵盖红外至紫外光的其他类型发光器件。进一步地，可采用只辐射紫外光的发光器件来催化氧分子分解反应；或只辐射红外光的发光器件来催化AlGaAs外延层发生氧化反应。本发明的实施例中优选地使用卤钨灯进行照射。
实施例1：
根据本发明所提出的一个实施例，如图1所示，一种AlGaAs外延层光照氧化方法主要包括:紫外光催化区1，光照装置2，透射外延层3，AlGaAs外延层4，即目标氧化层，GaAs衬底5，红外光催化区6。其步骤包括：
步骤1：在GaAs衬底5上，生长一定厚度的AlGaAs外延层4，其中，AlGaAs外延层4为含有高Al组分的AlGaAs外延层，AlGaAs外延层4因其含有的Al组分不同而具有不同的氧化水平。该AlGaAs外延层4作为目标氧化层，在该AlGaAs外延层4上面再生长透射波长小于800nm的透射外延层3，该透射外延层3可起到保护目标氧化层不被自然氧化的作用。同时该透射外延层3在光催化反应中，可让光照装置2所发出的红外光穿过透射外延层3照射到目标氧化层，即AlGaAs外延层4。
透射外延层3可采用不同折射率无Al材料配对组成的透射DBR(DistributedBragg Reflector)外延层；也可采用单层可透射波长小于800nm的无Al外延层；也可采用其他工艺制作的透光介质材料薄膜。
步骤2：使用湿法腐蚀方式或干法腐蚀方式刻蚀步骤1中的透射外延层3和AlGaAs外延层4形成沟道，即紫外光催化区1。优选地，本实施例中沟道采用圆孔的形状；该沟道的刻蚀深度要贯穿于透射外延层3和AlGaAs外延层4，与GaAs衬底5接触。
步骤3：将紫外光催化区1暴露在光照装置2的光照下，开始进行光辅助氧化，并开始计时。光照装置2发射的高能紫外光照射至紫外光催化区1以使该区域的O2分子分解为氧原子，光照装置2发射的红外光穿过透射外延层3至红外光催化区6以催化氧原子和AlGaAs外延层4发生化学反应，将AlGaAs外延层4氧化，并不断延水平方向向材料内部扩散，随时间推移形成一定宽度的氧化层。
步骤4：氧化后的AlGaAs外延层4的折射率会发生变化，AlGaAs外延层4由第一折射率变化为第二折射率。因被氧化区域和未被氧化区域的折射率不同，会造成颜色差别。显微镜下观察到颜色变化的区域即为被氧化区域，因此可通过显微镜确认水平方向氧化宽度，并计算氧化速率。氧化速率是用氧化宽度除以氧化时间以确定的氧化速率。
通过对比多个AlGaAs外延层4的氧化速率，可对AlGaAs外延层4的Al组份含量进行定性比较。
一般情况下，AlGaAs外延层4暴露在空气中的氧化速率非常慢，举例来讲，VCSEL氧化层一般采用高Al组份的AlGaAs外延层4。当该AlGaAs外延层4厚度为500nm时，需暴露空气2周以上才能发生完全氧化。但采用光照加速氧化方法，大约5min即可达到完全氧化。
实施例2：
根据本发明提出的另一个实施例，如图2所示，一种AlGaAs外延层光照氧化方法主要包括:显微镜物镜7，光照装置2，AlGaAs外延层4，即目标氧化层，GaAs衬底5。其中，D2为显微镜物镜7与AlGaAs外延层4之间的距离，D1为AlGaAs外延层4的厚度。包括以下步骤：
步骤1：在GaAs衬底5上，生长厚度为D2的AlGaAs外延层4。
步骤2：光照装置2发出的光束透过显微镜物镜7照射AlGaAs外延层4，即光照装置2发射的高能紫外光和红外光通过显微镜物镜7聚焦到AlGaAs外延层4上，从而可加速AlGaAs外延层4从表面向下氧化。
加速氧化原理为，将光照装置2发出的光束透过显微镜物镜7聚焦到AlGaAs外延层4上，开始进行光辅助氧化，并开始计时。光照装置2发射的高能紫外光照射至AlGaAs外延层4以使该区域的O2分子分解为氧原子，光照装置2发射的红外光照射至AlGaAs外延层4以催化氧原子和AlGaAs外延层4发生化学反应，将AlGaAs外延层4氧化，并不断延水平方向向材料内部扩散，随时间推移形成一定宽度的氧化层。当AlGaAs外延层4暴露在光照装置2的光照下时，光辅助氧化即开始进行，此时开始计时。
步骤3：在氧化过程中通过显微镜持续观测AlGaAs外延层4的颜色。被氧化的AlGaAs外延层4由折射率1变成折射率2，因此会发生颜色变化。随着被氧化的区域由表面向下扩展，显微镜下可观测到颜色不断变化；直到被照射区域的AlGaAs外延层4全部氧化，即被照射区域内的AlGaAs外延层4出现由第一折射率变化为第二折射率的氧化区域，并且氧化区域的厚度不再变化，折射率亦不再变化。此时停止计时，记录自开始计时到停止计时的氧化时间，同时记录被氧化的AlGaAs外延层4的氧化区域的氧化厚度。通过公式：氧化速率=氧化厚度/氧化时间，计算氧化速率。
通过对比多个器件中的AlGaAs外延层4的氧化速率，可对AlGaAs外延层4的Al组份含量进行定性比较。
一般情况下，AlGaAs外延层4暴露在空气中的氧化速率非常慢，举例来讲，VCSEL氧化层一般采用高Al组份的AlGaAs外延层4。当该AlGaAs外延层4厚度为500nm时，需暴露空气2周以上才能发生完全氧化。但采用光照加速氧化方法，可以在较短的时间内即达到完全氧化。
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 (3)

1.一种AlGaAs外延层光照氧化方法，其特征在于，包括：
步骤S01：采用GaAs衬底生长AlGaAs外延层；
步骤S02：在所述AlGaAs外延层上生长透射外延层，所述透射外延层为采用单层可透射波长小于800nm的无Al外延层或采用不同折射率无Al外延层配对组成的透射DBR，刻蚀所述透射外延层和所述AlGaAs外延层形成沟道，在常温空气环境下，采用光照装置照射所述沟道；所述光照装置为采用波长涵盖红外至紫外光的发光器件，红外光部分用于催化氧化反应，紫外光部分用于氧分子分解为氧原子；
步骤S03：记录所述AlGaAs外延层由第一折射率变化为第二折射率的氧化时间，观测确认被氧化的区域的氧化宽度并计算氧化速率，通过所述光照装置照射所述沟道以加速其氧化。
2.根据权利要求1所述的AlGaAs外延层光照氧化方法，其特征在于，所述沟道贯穿于所述透射外延层和所述AlGaAs外延层，并与所述GaAs衬底接触。
3.根据权利要求1所述的AlGaAs外延层光照氧化方法，其特征在于，所述氧化速率的计算方式为：氧化速率=氧化宽度/氧化时间。
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