CN111682402B - 一种对称dbr结构的面发射半导体激光芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片及其制备方法，芯片是从衬底层底发射激光的面发射两维阵列光源芯片，其由下往上依次包括衬底层、分布式布拉格部分反射镜、有源层、氧化光学限制层、分布式布拉格全反射镜和欧姆接触层；有源层、氧化光学限制层、分布式布拉格全反射镜和欧姆接触层在水平面上间隔布设，有源层、氧化光学限制层、分布式布拉格全反射镜和欧姆接触层的侧面以及外露的分布式布拉格部分反射镜的顶部设有钝化层，欧姆接触层的顶部以及钝化层的顶部和外侧设有连续的第一电极；衬底层的出光侧相对应氧化光学限制层的氧化孔位置设有凹槽结构，衬底层除凹槽结构的其他位置设有第二电极，第二电极与第一电极的极性相反。

Description

一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光芯片技术领域，具体涉及一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片及其制备方法。

背景技术

与边发射半导体激光相比，垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)以其体积小、耦合效率高、阈值电流低、调制速率高、易二维集成、单纵模工作、可在片测试和制造成本低等优点成为最重要的半导体光电子器件之一。尤其是VCSEL阵列在激光打印、激光医疗、激光打孔、焊接加工等领域有着广泛应用。随着工业、军事、医疗和空间通信等领域的发展，要求VCSEL既要满足输出功率高的要求，又要满足高温低温工作稳定性良好的要求。例如高温稳定工作的VCSEL光源在芯片级原子钟等领域有着广泛应用。高功率红光短波长(650nm)VCSEL在光存储、景观照明、塑料光纤通讯、空气质量检测、光束对准、显示、扫描、激光打印、光学成像和医疗等领域有着广泛应用。

目前，VCSEL普遍采用非对称DBR结构，该结构的VCSEL受到温度影响，激光谐振腔腔长和VCSEL外延材料折射率发生明显变化，造成波长、发散角等光电学性质不稳定。并且短波长VCSEL(波长小于815nm)为了避免GaAs衬底对光的吸收，普遍采用顶发射的VCSEL封装结构。顶发射VCSEL由于衬底的存在和顶封装形式，顶发射VCSEL热源距离热沉较远，散热效果较差，限制了高功率垂直腔面发射激光阵列的发展及应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片及其制备方法。

本发明公开了一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片，所述芯片是从衬底层底发射激光的面发射两维阵列光源芯片，其由下往上依次包括衬底层、分布式布拉格部分反射镜、有源层、氧化光学限制层、分布式布拉格全反射镜和欧姆接触层；

所述有源层、氧化光学限制层、分布式布拉格全反射镜和欧姆接触层在水平面上间隔布设，所述有源层、氧化光学限制层、分布式布拉格全反射镜和欧姆接触层的侧面以及外露的分布式布拉格部分反射镜的顶部设有钝化层，所述欧姆接触层的顶部以及钝化层的顶部和外侧设有连续的第一电极；

所述衬底层的出光侧相对应所述氧化光学限制层的氧化孔位置设有凹槽结构，所述衬底层除凹槽结构的其他位置设有第二电极，所述第二电极与所述第一电极的极性相反。

作为本发明的进一步改进，所述衬底层的凹槽结构的位置处镀增透膜，并在此位置处出射激光。

作为本发明的进一步改进，所述衬底层为半绝缘掺杂的GaAs半导体衬底层，厚度为10-450μm。

作为本发明的进一步改进，所述衬底层的厚度为10-30μm。

作为本发明的进一步改进，所述分布式布拉格部分反射镜为Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs多层部分反射分布布拉格反射层，反射率为99.0％-99.8％之间，实现激光出射。

作为本发明的进一步改进，所述分布式布拉格全反射镜为Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs多层全反射分布布拉格反射层，实现光束全反射。

作为本发明的进一步改进，所述分布式布拉格部分反射镜的反射层对数与所述分布式布拉格全反射镜的反射层对数相同，对数为10至60对。

作为本发明的进一步改进，所述芯片的封装形式为倒装焊结构封装，所述第一电极贴片到微通道水冷热沉。

本发明还公开了一种对称DBR结构面发射半导体激光芯片的制备方法，包括：

VCSEL外延片清洗干燥：

制作台面掩膜：

制作台面；

制作氧化孔；

制作第一电极；

制作台面钝化层；

衬底处理；

出射激光面钝化；

制作第二电极；

制作增透膜；

制作压焊点；

解理封装。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用对称DBR结构VCSEL，解决VCSEL谐振腔腔长和外延材料折射率随着温度变化而变化的问题，实现高低温环境下VCSEL的稳定工作；同时，本发明同时能够实现短波长VCSEL的衬底层底发射的激光输出，散热性能好，输出功率高。

附图说明

图1为本发明公开的对称DBR结构的面发射半导体激光芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例1公开的对称DBR结构的面发射半导体激光芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例1公开的对称DBR结构的面发射半导体激光芯片的结构示意图；

图4为波长980nm底发射VCSEL的Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.9Ga_0.1As多膜全反射DBR，DBR对数为32的外延结构的全反射率模拟图；

图5为波长980nm底发射VCSEL的Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.8Ga_0.2As多膜全反射DBR，DBR对数为32的外延结构的部分反射率模拟图；

图6为波长650nm底发射VCSEL的Al_0.5Ga_0.95As/Al_0.95Ga_0.5As多膜全反射DBR，DBR对数为58的外延结构的全反射率模拟图；

图7为波长650nm底发射VCSEL的Al_0.6Ga_0.95As/Al_0.6Ga_0.95As多膜全反射DBR，DBR对数为58的外延结构的部分反射率模拟图；

图8为本发明公开的对称DBR结构的面发射半导体激光芯片的制备方法的流程图。

图中：

1、第一电极；2、钝化层；3、欧姆接触层；4、分布式布拉格全反射镜；5、氧化光学限制层；6、有源层；7、分布式布拉格部分反射镜；8、衬底层；9、第二电极；10、增透膜；

1-1、P型电极(第一电极)；3-1、P型欧姆接触层；4-1、P型分布式布拉格全反射镜；7-1、N型分布式布拉格部分反射镜；8-1、N型衬底层；9-1、N型电极(第二电极)；

1-2、N型电极(第一电极)；3-2、N型欧姆接触层；4-2、N型分布式布拉格全反射镜；7-2、P型分布式布拉格部分反射镜；8-2、P型衬底层；9-2、P型电极(第二电极)；

其中，第一电极与第二电极极性相反。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片，面发射半导体激光芯片是从衬底层底发射激光的面发射两维阵列光源芯片，该芯片由下往上依次包括衬底层8、分布式布拉格部分反射镜7、有源层6、氧化光学限制层5、分布式布拉格全反射镜4和欧姆接触层3；其中，

本发明的有源层6、氧化光学限制层5、分布式布拉格全反射镜4和欧姆接触层3所形成的结构在水平面上(分布式布拉格部分反射镜7的顶部)间隔布设，且有源层6、氧化光学限制层5、分布式布拉格全反射镜4和欧姆接触层3的宽度一致；本发明在有源层6、氧化光学限制层5、分布式布拉格全反射镜4和欧姆接触层3的侧面以及外露的分布式布拉格部分反射镜7的顶部设有钝化层2，背光侧的欧姆接触层3上以及钝化层2的顶部和外侧设有连续的第一电极1，第一电极1的顶面水平。

本发明在衬底层8出光侧相对应氧化光学限制层5的氧化孔径位置制作凹槽，并在衬底层8凹槽位置制作增透膜10，并在此位置处出射激光；衬底层8除凹槽以外的其他位置制作第二电极9，第二电极9与欧姆接触层3顶部第一电极1的极性相反。

进一步，

本发明的衬底层8为半绝缘掺杂的GaAs半导体衬底层，厚度为10-450μm，优选为为10-30μm。

本发明的分布式布拉格部分反射镜7为Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs多层部分反射分布布拉格反射层，反射率为99.0％-99.8％之间，实现激光出射；分布式布拉格全反射镜4为Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs多层全反射分布布拉格反射层，实现光束全反射；更进一步，分布式布拉格部分反射镜7的反射层对数与分布式布拉格全反射镜4的反射层对数相同，对数为10至60对。

本发明芯片的封装形式为倒装焊结构封装，第一电极1贴片到微通道水冷热沉。

实施例1：

本发明提供一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片及其制备方法，半导体激光芯片是从衬底层底发射激光的面发射两维阵列光源芯片。如图2所示，本实施例对称DBR结构的面发射半导体激光芯片包括：P型电极1-1(第一电极)、钝化层2、P型欧姆接触层3-1、P型分布式布拉格全反射镜4-1、氧化光学限制层5、有源层6、N型分布式布拉格部分反射镜7-1、N型衬底层8-1、N型电极9-1(第二电极)和增透膜10；芯片由下往上依次设有N型衬底层8-1、N型分布式布拉格部分反射镜7-1、有源层6、氧化光学限制层5、P型分布式布拉格全反射镜4-1、P型欧姆接触层3-1；背光侧P型欧姆接触层3-1制作P型电极1-1，P型电极1-1与P型欧姆接触层3-1不接触的位置制作钝化层2；N型衬底层8-1出光侧相对应氧化光学限制层5的氧化孔径位置制作凹槽结构，并在N型衬底层8-1凹槽位置制作增透膜10；N型衬底层8-1除凹槽以外的其他位置制作N型电极9-1，N型电极9-1与背光侧欧姆接触层3-1顶部P型电极1-1极性相反。

本实施例是光源波长为980nm底发射的VCSEL，P型分布式布拉格全反射镜4-1为Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs多层全反射P型分布布拉格反射层。具体的如图4所示，P型分布式布拉格全反射镜4-1为高掺杂的P型掺杂的Al_0.1Ga_0.9As/Al_0.9Ga_0.1As多层全反射DBR外延结构，DBR对数为32对，反射率为99.99％及以上；N型分布式布拉格部分反射镜7-1为Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs多层部分反射N型分布布拉格反射层。具体的如图5所示，N型分布式布拉格部分反射镜7-1为高掺杂的N型掺杂的Al_0.2Ga_0.8As/Al_0.8Ga_0.2As多层部分反射DBR外延结构，DBR对数为32对，反射率为99.3-99.4％。N型分布式布拉格部分反射镜7-1和P型分布式布拉格全反射镜4-1的DBR对数相同。氧化光学限制层5为高铝组分的Al_xGa_1-xAs半导体材料，优选Al_0.98Ga_0.02As半导体材料，氧化光学限制层5的氧化孔径15μm；背面P型电极1-1(第一电极)材料为Ti/Pt/Au＝30/50/150nm；N型电极9-1(第二电极)材料为AuGeNi/Au＝50/300nm。本实施例的对称DBR结构的面发射半导体激光芯片的封装形式为倒装焊结构，P型电极1-1贴片到微通道水冷热沉；提高VCSEL阵列器件散热。

实施例2：

本发明提供一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片及其制备方法，半导体激光芯片是从衬底层底发射激光的面发射两维阵列光源芯片。如图3所示，本实施例对称DBR结构的面发射半导体激光芯片包括：N型电极1-2(第一电极)、钝化层2、N型欧姆接触层3-2、N型分布式布拉格全反射镜4-2、氧化光学限制层5、有源层6、P型分布式布拉格部分反射镜7-2、P型衬底层8-2、P型电极9-2(第二电极)和增透膜10；芯片由下往上依次设有P型衬底层8-2、P型分布式布拉格部分反射镜7-2、有源层6、氧化光学限制层5、N型分布式布拉格全反射镜4-2、N型欧姆接触层3-2；背光侧N型欧姆接触层3-2制作N型电极1-2，N型电极1-2与N型欧姆接触层3-2不接触的位置制作钝化层2；P型衬底层8-2出光侧相对应氧化光学限制层5的氧化孔径位置制作凹槽结构，并在P型衬底层8-2凹槽位置制作增透膜10；衬底层8除凹槽以外的其他位置制作P型电极9-2，P型电极9-2与背光侧欧姆接触层3-2顶部N型电极1-2极性相反。

本实施例是光源波长为650nm底发射的VCSEL，N型分布式布拉格全反射镜4-2为Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs多层全反射N型分布布拉格反射层。具体的如图6所示，N型分布式布拉格全反射镜4-2为高掺杂的N型掺杂的Al_0.5Ga_0.95As/Al_0.95Ga_0.5As多层全反射DBR外延结构，DBR对数为58对，反射率为99.9％及以上；P型分布式布拉格部分反射镜7-2为Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs多层部分反射P型分布布拉格反射层。具体的如图7所示，P型分布式布拉格部分反射镜7-2为高掺杂的P型掺杂的Al_0.6Ga_0.95As/Al_0.6Ga_0.95As多层部分反射DBR外延结构，DBR对数为58对，反射率为99.3-99.4％。P型分布式布拉格部分反射镜7-2和N型分布式布拉格全反射镜4-2的DBR对数相同。氧化光学限制层5为高铝组分的Al_xGa_1-xAs半导体材料，优选Al_0.98Ga_0.02As半导体材料，氧化光学限制层5的氧化孔径15μm；背面N型电极1-2(第一电极)材料为Ti/Pt/Au＝30/50/150nm；P型电极9-2(第二电极)材料为AuGeNi/Au＝50/300nm。本实施例的对称DBR结构的面发射半导体激光芯片的封装形式为倒装焊结构，N型电极1-2贴片到微通道水冷热沉；减小短波长VCSEL衬底对光的吸收，增加VCSEL阵列器件散热，提高输出功率。

如图8所示，本发明提供一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片的制备方法，包括：

步骤一、VCSEL外延片清洗干燥

将待清洗的VCSEL按照RCA标准清洗，清洗完毕后将芯片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后将待加工外延片加热烘干，待用。

步骤二、制作台面掩膜

首先，在待加工外延片上沉积或者溅射一定厚度SiO₂掩膜。其次，在沉积或者溅射一定厚度SiO₂掩膜的待加工外延片涂上AZ5214等光刻胶，作为刻蚀软掩膜，光刻显影得到台面结构图形。然后，通过湿法腐蚀或者干法刻蚀等方法，制作出SiO₂台面掩膜。最后，湿法腐蚀掉待加工外延片上多余的SiO₂，并按照RCA标准清洗芯片。清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气保护吹干，确保干净以后，将片子加热烘干，待用。

步骤三、制作台面

首先，湿法腐蚀或者干法刻蚀等方法，在在待加工外延片制作出台面结构。若采用刻蚀方法，刻蚀Cl₂/BCl₃气体流量比为1：3，刻蚀功率500W，刻蚀芯片露出氧化层。其次，湿法腐蚀掉芯片上多余的SiO₂，并按照RCA标准清洗芯片。最后，清洗完毕后将待加工外延片用高纯度氮气吹干，确保干净以后，将片子加热烘干，待用。

步骤四、制作氧化孔

利用湿法选择性氧化技术，将在待加工外延片台面中的氧化光学限制层5，从外侧氧化进去，形成一个氧化孔径。其目的是在有源层上方形成可以限制载流子以及光场限制孔。湿法选择性氧化过程：氧化炉升温至430℃，水温设定90℃，通微量氮气，流量为1L/min，稳定20min，排除氧化炉内多余空气。30min以后，开始通氮气，流量为9L/min，稳定30min。稳定30min以后，将外延片放入氧化炉进行氧化，氧化时间根据需要氧化的氧化孔径而定。氧化结束以后，等待炉温降到80摄氏度以后，取出芯片，待用。

步骤五、制作第一电极

在待加工外延片涂上SU-8等负性剥离光刻胶，通过光刻显影，制作电极图形。然后，磁控溅射技术溅射等金属工艺，生长电极金属材料。最后，进行金属剥离工艺，制作金属第一电极1。

步骤六、制作台面钝化层

首先，在待加工外延片上沉积或者溅射一定厚度SiO₂、AlN以及Si₃N₄等绝缘物质作为钝化层2；其次，待加工外延片涂上AZ5214等光刻胶，光刻显影第一电极1与欧姆接触层3的掏孔，腐蚀或者刻蚀钝化层2，制作出电极与欧姆接触层的掏孔，等待打线封装使用。

步骤七、衬底处理

首先，利用减薄抛光技术，将衬底层8减薄，衬底厚度d约为10-30μm；其次，在待加工外延片涂上AZ5214等光刻胶，应用双面套刻工艺光刻显影衬底凹槽，在衬底层8上得到图形结构；最后，干法刻蚀出凹槽衬底结构。

步骤八、出射激光面钝化

首先，在待加工外延片上沉积或者溅射一定厚度SiO₂、AlN以及Si₃N₄等绝缘物质作为钝化层2；其次，待加工外延片涂上AZ5214等光刻胶，光刻显影第二电极9、增透膜10和压焊点，腐蚀或者刻蚀第二电极9、增透膜10和相应的压焊点处的钝化层2。

步骤九、制作第二电极

首先在待加工外延片涂上AZ5214等光刻胶，应用双面套刻工艺光刻显影制作金属第二电极的图形，通过磁控溅射技术溅射金属第二电极，进行第二电极金属剥离。然后，通过快速退火工艺金属退火合金，退火温度430℃，退火时间15s。

步骤十、制作增透膜

在待加工外延片通过等离子体增强化学的气相沉积法或者其他方法生长氮化硅、二氧化硅、氧化铪等材料，制作增透膜10。

步骤十一、制作焊接点

首先在待加工外延片涂上AZ5214等光刻胶，应用双面套刻工艺光刻显影出焊接点。其次，通过干法刻蚀或者湿法腐蚀的方式去除焊接点处的增透膜10，待封装打线使用。

步骤十二、解理封装

制作好的芯片用解理划片机解理，采用热压焊等方式完成外界供电系统电极与焊接点的焊接，并完成芯片封装。

本发明的优点为：

本发明利用对称DBR结构VCSEL，解决VCSEL谐振腔腔长和外延材料折射率随着温度变化而变化的问题，实现高低温环境下VCSEL的稳定工作。该发明同时能够实现短波长VCSEL的衬底层底发射的激光输出，散热性能好，输出功率高。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种对称DBR结构的面发射半导体激光芯片，其特征在于，所述芯片是从衬底层底发射激光的面发射两维阵列光源芯片，其由下往上依次包括衬底层、分布式布拉格部分反射镜、有源层、氧化光学限制层、分布式布拉格全反射镜和欧姆接触层；

所述有源层、氧化光学限制层、分布式布拉格全反射镜和欧姆接触层在水平面上间隔布设，所述有源层、氧化光学限制层、分布式布拉格全反射镜和欧姆接触层的侧面以及外露的分布式布拉格部分反射镜的顶部设有钝化层，所述欧姆接触层的顶部以及钝化层的顶部和外侧设有连续的第一电极；

所述衬底层的出光侧相对应所述氧化光学限制层的氧化孔位置设有凹槽结构，所述衬底层除凹槽结构的其他位置设有第二电极，所述第二电极与所述第一电极的极性相反；

所述分布式布拉格部分反射镜的反射层对数与所述分布式布拉格全反射镜的反射层对数相同，对数为10至60对；

所述分布式布拉格部分反射镜为Al_x1Ga_1-x1As/Al_y1Ga_1-y1As多层部分反射分布布拉格反射层，所述分布式布拉格全反射镜为Al_x2Ga_1-x2As/Al_y2Ga_1-y2As多层全反射分布布拉格反射层。

2.如权利要求1所述的面发射半导体激光芯片，其特征在于，所述衬底层的凹槽结构的位置处镀增透膜，并在此位置处出射激光。

3.如权利要求1所述的面发射半导体激光芯片，其特征在于，所述衬底层为半绝缘掺杂的GaAs半导体衬底层，厚度为10-450μm。

4.如权利要求3所述的面发射半导体激光芯片，其特征在于，所述衬底层的厚度为10-30μm。

5.如权利要求1所述的面发射半导体激光芯片，其特征在于，所述分布式布拉格部分反射镜的反射率为99.0%-99.8%之间，实现激光出射。

6.如权利要求5所述的面发射半导体激光芯片，其特征在于，所述分布式布拉格全反射镜实现光束全反射。

7.如权利要求1所述的面发射半导体激光芯片，其特征在于，所述芯片的封装形式为倒装焊结构封装，所述第一电极贴片到微通道水冷热沉。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的对称DBR结构面发射半导体激光芯片的制备方法，其特征在于，包括：

VCSEL外延片清洗干燥：

制作台面掩膜：

制作台面；

制作氧化孔；

制作第一电极；

制作台面钝化层；

衬底处理；

出射激光面钝化；

制作第二电极；

制作增透膜；

制作压焊点；

解理封装。

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