CN111900621A - 一种vcsel芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种VCSEL芯片及其制作方法，其中，VCSEL芯片包括半导体衬底，所述半导体衬底的一侧表面设置有若干横向以及竖向均匀排列的发射激光器腔，所述发射激光器腔内设置有发射激光器单元，所述发射激光器单元包括N型布拉格反射镜层，所述N型布拉格反射镜层与半导体衬底表面接触，N型布拉格反射镜层背向半导体衬底的一侧表面上设置有P型布拉格反射镜层，所述P型布拉格反射镜层和N型布拉格反射镜层的外侧覆盖有氧化层。本发明是一种结构稳定，可靠性高，散热性能好，使用寿命长的VCSEL芯片。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器芯片领域，具体为一种VCSEL芯片及其制作方法。
背景技术
VCSEL，全名为垂直腔面发射激光器(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(LaserDiode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。VCSEL相比于传统的边发射激光器，具有不稳定的偏振模式输出，在注入电流由小持续增大或由大持续降低时，可以发生偏振转换，在改变某些其它参量时，也能发现偏振模式的转换，当这种转换呈现短时的跳变特性时，称为偏振开关。作为光开关的一种，偏振开关越来越受到人们的关注。
然而，目前已有的VCSEL芯片大多存在半导体材料的结构强度较低，导致半导体衬底与发射激光器单元的连接部位在应力状况下容易开裂。同时VCSEL器件的阈值电流及输出功率对温度很敏感，电光转换效率随有源区温度上升呈现指数下降。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。所以，亟需一种新型的VCSEL芯片解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种VCSEL芯片及其制作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种VCSEL芯片，包括半导体衬底，所述半导体衬底的一侧表面设置有若干横向以及竖向均匀排列的发射激光器腔，所述发射激光器腔内设置有发射激光器单元，所述发射激光器单元包括N型布拉格反射镜层，所述N型布拉格反射镜层与半导体衬底表面接触，N型布拉格反射镜层背向半导体衬底的一侧表面上设置有P型布拉格反射镜层，所述P型布拉格反射镜层和N型布拉格反射镜层的外侧覆盖有氧化层，所述N型布拉格反射镜层外侧四周的氧化层中设置有N型电极，所述N型电极与半导体衬底相接触，所述P型布拉格反射镜层顶部的氧化层的中心处设置有出光孔，所述出光孔的圆周内侧壁上设置有P型电极，所述P型电极与P型布拉格反射镜层相接触。
优选的，所述半导体衬底的一侧表面上设置有若干横向和纵向均匀排列的加强筋，横向的加强筋与纵向的加强筋围成发射激光器腔。
优选的，所述加强筋的截面为梯形，加强筋靠近半导体衬底的一侧宽度较宽。
优选的，所述发射激光器腔中设置有一组贯穿半导体衬底的散热孔，所述散热孔设置在发射激光器腔的拐角处，散热孔围绕在发射激光器单元四周。
优选的，所述加强筋靠近半导体衬底一侧的宽度为15-25微米，加强筋远离半导体衬底一侧的宽度为5-10微米。
优选的，所述散热孔的孔径为10-15微米。
一种VCSEL芯片的制作方法，包括如下步骤：
S1：在所述的半导体衬底的表面生长N型布拉格反射镜层，然后再在N型布拉格反射镜层背向半导体衬底一侧的表面生长P型布拉格反射镜层，最后在P型布拉格反射镜层背向N型布拉格反射镜层一侧的表面沉积第一SiO2掩膜层；
S2：在所述的第一SiO2掩膜层上进行光刻处理，去除第一SiO2掩膜层中边缘区域上的材料，留下第一SiO2掩膜层中心的一块圆形区域；
S3：在所述的P型布拉格反射镜层和N型布拉格反射镜层上进行腐蚀处理，去除边缘区域下方的部分，得到初步中间体；
S4：通过超声剥离去除初步中间体表面剩下的第一SiO2掩膜层，得到次级中间体；
S5：在次级中间体外表面沉积第二SiO2掩膜层,得到再次级中间体；
S6：对再次级中间体进行光刻处理，去除待氧化区域上的第二SiO2掩膜层得到中间体；
S7：对中间体上的待氧化区域进行氧化处理形成氧化层，得到氧化体；
S8：对氧化体上的第二SiO2掩膜层进行光刻处理，去除第二SiO2掩膜层中N型电极区域和出光孔中的材料，得到准成品；
S9：在准成品上的N型电极区域和出光孔中分别生长N型电极和P型电极得到VCSEL芯片成品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中，在半导体衬底的一侧表面设置有若干横向以及竖向均匀排列的发射激光器腔，发射激光器腔对发射激光器单元形成保护，同时发射激光器腔还提高了半导体衬底的结构的强度，加强筋在组成发射激光器腔的同时，增加了半导体衬底的强度和刚度，在芯片受力时，应力主要由加强筋承受。散热孔可以减小各层材料之间热膨胀系数的差别会在芯片内部产生应力，有利于提高芯片内器件的耐久性，延长发射激光器单元的使用寿命。本发明是一种结构稳定，可靠性高，散热性能好，使用寿命长的VCSEL芯片。
附图说明
图1为一种VCSEL芯片S2步骤的结构示意图；
图2为图1中A处的截面图；
图3为一种VCSEL芯片S1步骤的结构示意图；
图4为一种VCSEL芯片S2步骤的结构示意图；
图5为一种VCSEL芯片S3步骤的结构示意图；
图6为一种VCSEL芯片S4步骤的结构示意图；
图7为一种VCSEL芯片S5步骤的结构示意图；
图8为一种VCSEL芯片S6步骤的结构示意图；
图9为一种VCSEL芯片S7步骤的结构示意图；
图10为一种VCSEL芯片S8步骤的结构示意图；
图11为一种VCSEL芯片S9步骤的结构示意图。
图中：1-半导体衬底，2-加强筋，3-发射激光器腔，4-发射激光器单元，5-出光孔，6-散热孔，7-N型布拉格反射镜层，8-P型布拉格反射镜层，9-第一SiO2掩膜层，10-边缘区域，11-第二SiO2掩膜层，12-待氧化区域，13-氧化层，14-N型电极区域，15-P型电极，16-N型电极。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
请参阅图1～11，本发明提供一种技术方案：一种VCSEL芯片，包括半导体衬底1，所述半导体衬底1的一侧表面设置有若干横向以及竖向均匀排列的发射激光器腔3，所述发射激光器腔3内设置有发射激光器单元4，所述发射激光器单元4包括N型布拉格反射镜层7，所述N型布拉格反射镜层7与半导体衬底1表面接触，N型布拉格反射镜层7背向半导体衬底1的一侧表面上设置有P型布拉格反射镜层8，所述P型布拉格反射镜层8和N型布拉格反射镜层7的外侧覆盖有氧化层9，所述N型布拉格反射镜层7外侧四周的氧化层9中设置有N型电极16，所述N型电极16与半导体衬底1相接触，所述P型布拉格反射镜层8顶部的氧化层9的中心处设置有出光孔5，所述出光孔5的圆周内侧壁上设置有P型电极15，所述P型电极15与P型布拉格反射镜层8相接触。
本发明中，在半导体衬底1的一侧表面设置有若干横向以及竖向均匀排列的发射激光器腔3，发射激光器腔3对发射激光器单元4形成保护，同时发射激光器腔3还提高了半导体衬底1的结构的强度，当芯片受力时，发射激光器单元4几乎不受应力。
可优选地，所述半导体衬底1的一侧表面上设置有若干横向和纵向均匀排列的加强筋2，横向的加强筋2与纵向的加强筋2围成发射激光器腔3。
发射激光器腔3由加强筋2围成，加强筋2在组成发射激光器腔3的同时，增加了半导体衬底1的强度和刚度，在芯片受力时，应力主要由加强筋2承受。
可优选地，所述加强筋2的截面为梯形，加强筋2靠近半导体衬底1的一侧宽度较宽。
加强筋2为梯形结构，有利于提高半导体衬底1的强度和刚度。
所述发射激光器腔3中设置有一组贯穿半导体衬底1的散热孔6，所述散热孔6设置在发射激光器腔3的拐角处，散热孔6围绕在发射激光器单元4四周。
散热孔6可以减小各层材料之间热膨胀系数的差别会在芯片内部产生应力，有利于提高芯片内器件的耐久性，延长发射激光器单元4的使用寿命。
可优选地，所述加强筋2靠近半导体衬底1一侧的宽度为15-25微米，加强筋2远离半导体衬底1一侧的宽度为5-10微米。
上述加强筋2的大小形状有利于兼顾芯片的信息传输性能与结构强度。
可优选地，所述散热孔6的孔径为10-15微米。
上述散热孔6的尺寸有利于兼顾芯片的信息传输性能与散热性能。
一种VCSEL芯片的制作方法，包括如下步骤：
可优选地，S1：在所述的半导体衬底1的表面生长N型布拉格反射镜层7，然后再在N型布拉格反射镜层7背向半导体衬底1一侧的表面生长P型布拉格反射镜层8，最后在P型布拉格反射镜层8背向N型布拉格反射镜层7一侧的表面沉积第一SiO2掩膜层9；
S2：在所述的第一SiO2掩膜层9上进行光刻处理，去除第一SiO2掩膜层9中边缘区域10上的材料，留下第一SiO2掩膜层9中心的一块圆形区域；
S3：在所述的P型布拉格反射镜层8和N型布拉格反射镜层7上进行腐蚀处理，去除边缘区域10下方的部分，得到初步中间体；
S4：通过超声剥离去除初步中间体表面剩下的第一SiO2掩膜层9，得到次级中间体；
S5：在次级中间体外表面沉积第二SiO2掩膜层11,得到再次级中间体；
S6：对再次级中间体进行光刻处理，去除待氧化区域12上的第二SiO2掩膜层11得到中间体；
S7：对中间体上的待氧化区域12进行氧化处理形成氧化层13，得到氧化体；
S8：对氧化体上的第二SiO2掩膜层11进行光刻处理，去除第二SiO2掩膜层11中N型电极区域14和出光孔5中的材料，得到准成品；
S9：在准成品上的N型电极区域14和出光孔5中分别生长N型电极16和P型电极15得到VCSEL芯片成品。
本发明的工作原理是：本发明是一种VCSEL芯片，在半导体衬底1的一侧表面设置有若干横向以及竖向均匀排列的发射激光器腔3，发射激光器腔3对发射激光器单元4形成保护，同时发射激光器腔3还提高了半导体衬底1的结构的强度，当芯片受力时，发射激光器单元4几乎不受应力。发射激光器腔3由加强筋2围成，加强筋2在组成发射激光器腔3的同时，增加了半导体衬底1的强度和刚度，在芯片受力时，应力主要由加强筋2承受。加强筋2为梯形结构，有利于提高半导体衬底1的强度和刚度。散热孔6可以减小各层材料之间热膨胀系数的差别会在芯片内部产生应力，有利于提高芯片内器件的耐久性，延长发射激光器单元4的使用寿命。上述加强筋2的大小形状有利于兼顾芯片的信息传输性能与结构强度。上述散热孔6的尺寸有利于兼顾芯片的信息传输性能与散热性能。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种VCSEL芯片，包括半导体衬底(1)，其特征在于：所述半导体衬底(1)的一侧表面设置有若干横向以及竖向均匀排列的发射激光器腔(3)，所述发射激光器腔(3)内设置有发射激光器单元(4)，所述发射激光器单元(4)包括N型布拉格反射镜层(7)，所述N型布拉格反射镜层(7)与半导体衬底(1)表面接触，N型布拉格反射镜层(7)背向半导体衬底(1)的一侧表面上设置有P型布拉格反射镜层(8)，所述P型布拉格反射镜层(8)和N型布拉格反射镜层(7)的外侧覆盖有氧化层(9)，所述N型布拉格反射镜层(7)外侧四周的氧化层(9)中设置有N型电极(16)，所述N型电极(16)与半导体衬底(1)相接触，所述P型布拉格反射镜层(8)顶部的氧化层(9)的中心处设置有出光孔(5)，所述出光孔(5)的圆周内侧壁上设置有P型电极(15)，所述P型电极(15)与P型布拉格反射镜层(8)相接触。
2.根据权利要求1所述的一种VCSEL芯片，其特征在于：所述半导体衬底(1)的一侧表面上设置有若干横向和纵向均匀排列的加强筋(2)，横向的加强筋(2)与纵向的加强筋(2)围成发射激光器腔(3)。
3.根据权利要求2所述的一种VCSEL芯片，其特征在于：所述加强筋(2)的截面为梯形，加强筋(2)靠近半导体衬底(1)的一侧宽度较宽。
4.根据权利要求1所述的一种VCSEL芯片，其特征在于：所述发射激光器腔(3)中设置有一组贯穿半导体衬底(1)的散热孔(6)，所述散热孔(6)设置在发射激光器腔(3)的拐角处，散热孔(6)围绕在发射激光器单元(4)四周。
5.根据权利要求3所述的一种VCSEL芯片，其特征在于：所述加强筋(2)靠近半导体衬底(1)一侧的宽度为15-25微米，加强筋(2)远离半导体衬底(1)一侧的宽度为5-10微米。
6.根据权利要求4所述的一种VCSEL芯片，其特征在于：所述散热孔(6)的孔径为10-15微米。
7.一种VCSEL芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在所述的半导体衬底(1)的表面生长N型布拉格反射镜层(7)，然后再在N型布拉格反射镜层(7)背向半导体衬底(1)一侧的表面生长P型布拉格反射镜层(8)，最后在P型布拉格反射镜层(8)背向N型布拉格反射镜层(7)一侧的表面沉积第一SiO2掩膜层(9)；
S2：在所述的第一SiO2掩膜层(9)上进行光刻处理，去除第一SiO2掩膜层(9)中边缘区域(10)上的材料，留下第一SiO2掩膜层(9)中心的一块圆形区域；
S3：在所述的P型布拉格反射镜层(8)和N型布拉格反射镜层(7)上进行腐蚀处理，去除边缘区域(10)下方的部分，得到初步中间体；
S4：通过超声剥离去除初步中间体表面剩下的第一SiO2掩膜层(9)，得到次级中间体；
S5：在次级中间体外表面沉积第二SiO2掩膜层(11),得到再次级中间体；
S6：对再次级中间体进行光刻处理，去除待氧化区域(12)上的第二SiO2掩膜层(11)得到中间体；
S7：对中间体上的待氧化区域(12)进行氧化处理形成氧化层(13)，得到氧化体；
S8：对氧化体上的第二SiO2掩膜层(11)进行光刻处理，去除第二SiO2掩膜层(11)中N型电极区域(14)和出光孔(5)中的材料，得到准成品；
S9：在准成品上的N型电极区域(14)和出光孔(5)中分别生长N型电极(16)和P型电极(15)得到VCSEL芯片成品。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201106 |