CN112018598A

CN112018598A - 一种修正（100）晶面氧化孔径的方法

Info

Publication number: CN112018598A
Application number: CN202011176243.2A
Authority: CN
Inventors: 方照诒
Original assignee: Shenzhen Demingli Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Demingli Electronics Co Ltd
Priority date: 2020-10-28
Filing date: 2020-10-28
Publication date: 2020-12-01
Also published as: CN112864803A; WO2022088329A1; CN112864804A; CN112864806A; CN112864805A

Abstract

本发明涉及一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，包括：对经过台面刻蚀后的圆形台面结构的（100）晶面快速氧化方向上的侧壁进行镀膜、沉积或保留原来外延材料形成扩散障碍层，补偿修正侧壁各方向氧化速率的差异；对圆形台面结构的侧壁进行扩散及氧化，形成氧化孔。发现了氧化孔形状不规则的原因，并通过设置扩散障碍层使得氧化孔趋向于对称的圆形，使得VCSEL能够呈现出趋于完美的圆形光场。

Description

一种修正（100）晶面氧化孔径的方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，涉及光通信技术领域的一种核心器件——VCSEL的制造技术，尤其涉及一种修正（100）晶面氧化孔径的方法。

背景技术

在光通信技术领域，VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）即垂直面射型激光器，是一种常用的半导体器件激光器，VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件，应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。随着工艺、材料技术改进，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现，逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知等消费级应用。未来，随着智能化信息世界的不断发展，VCSEL将广泛应用在消费电子3D成像、物联网、数据中心/云计算、自动驾驶等领域。其中，VCSEL在消费电子领域发挥越来越重要的作用，VCSEL可用来进行智能手机人脸识别、无人机避障、VR/AR、扫地机器人、家用摄像头等。

与传统激光器相比，VCSEL具有较小的原场发散角，发射光束窄且圆，易与光纤进行耦合；阈值电流低；调制频率高；在很宽的温度和电流范围内均以单纵横模工作；不必解理，即可完成工艺制作和检测，成本低；易于实现大规模阵列及光电集成。

除了外延结构及芯片几何结构的设计外，在VCSEL的制造工艺中最为关键的当属氧化工艺对孔径形状及尺寸的控制。

目前主要有三种孔径制作方式，第一种是空气柱法，这种方法难以缩小孔径同时又于其上制作电极；第二种是离子佈植法，这种方法形成的孔径无光学局限效果；第三种是氧化孔径法，氧化孔工艺可同时达到光学局限（氧化材料造成谐振腔长的破坏）及电流局限（氧化材料的绝缘性）的双重效果，电流局限有效地将载子局限在要产生激发放射的区域，造成所谓的居量反转（Population Inversion）现象,光学局限可以限制谐振腔的在X-Y空间方向上的激发放射区域。

不论是光纤通讯或感测的应用，使光窗所发出的光束呈现圆形光场可在应用端有较好的应用效率，其中包含光纤通讯中光芯片与光纤的光耦和效率或感测器应用中的光强度及阵列密度的提升。所以，在制作VCSEL光芯片中，尽量使氧化孔径形成圆形对称是最好的。

现有的工艺中，氧化孔很难趋向于正圆，大多呈现为近方形、近三角形、近多边形、近长方形结构。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供提出一种能够使氧化孔趋向于正圆的修正（100）晶面氧化孔径的方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，包括：对经过台面刻蚀后的圆形台面结构的（100）晶面快速氧化方向上的侧壁进行镀膜、沉积或保留原来外延材料形成扩散障碍层，补偿修正侧壁各方向氧化速率的差异；对圆形台面结构的侧壁进行扩散及氧化，形成氧化孔。

进一步的，水气在扩散障碍层内的扩散系数Kd小于或等于水气在半导体内的扩散系数Ks。

进一步的，所述圆形台面结构的已氧化区域的半径为R，氧化孔的目标区域的期待半径为r，其中，R与r之间的关系满足：1<R/r≤5。

进一步的，台面刻蚀后直接侧向氧化形成的氧化孔的中心距离边的距离为Rs，台面刻蚀后直接侧向氧化形成的氧化孔的中心距离角的距离为Rc，其中Rs、Rc、R和r满足:

（R-Rs）/（R-Rc）=1+Ks(Rc-Rs)/Kd(R-r)。

进一步的，环绕圆形台面结构的圆心阵列设置、以圆形台面结构的外圆为圆心设置四个小圆，小圆与圆形台面结构的外圆形成公切线，小圆与公切线连接的外轮廓与圆形台面结构的的外圆之间区域即为扩散障碍层。

进一步的，其中，小圆的半径为d，d满足：

d=（Rc-Rs）*Ks/Kd。

进一步的，补偿修正角度为以修正前衬底晶面方向为轴旋转45度。

进一步的，所述圆形台面结构利用光刻工艺定义刻蚀区域通过刻蚀形成。

进一步的，所述扩散障碍层的材料包括GaAs、AlGaAs、Ga₂O₃、Al₂O₃、AlN、BN、Al₂O₃、Si₃N₄、SiO₂、ZrO₂中的至少一种。

本发明的有益效果在于：在目前的技术中，对于氧化孔的形状原因缺乏研究，本发明发现不同的密勒指数的晶面其原子面密度不同，因而有不同的扩散速度，致使氧化的速度也不同。光芯片是使用晶体经过外延及芯片工艺加工所制成，晶体本身具有一定的晶体方向，因此，在氧化工艺中，会因为晶体各方向面密度及表面能的不同而产生不同的氧化速率，从而造成氧化光窗与台面结构几何形状上的差异，在实务上会因为不同的晶向而产生不同的形状。本发明采用在圆形台面结构通过额外扩散障碍层补偿扩散速度不同导致的氧化速度不同，使得各方向的速度趋于一致，进而使得氧化孔趋向于正圆。

附图说明

图1是本发明实施例圆形台面结构的氧化区域和目标区域的结构示意图；

图2是本发明实施例扩散障碍层与氧化孔的结构示意图；

图3是本发明实施例未设置扩散障碍层的氧化孔的俯视状态示意图；

图4是本发明实施例（100）晶面的示意图；

图5是本发明实施例扩散障碍层的结构示意图。

标号说明：

10、圆形台面结构；20、扩散障碍层；30、氧化孔；31、已氧化区域；

32、目标区域；40、（100）晶面。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明一种修正（100）晶面氧化孔径的方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1-图5，一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，包括：对经过台面刻蚀后的圆形台面结构10的（100）晶面40快速氧化方向上的侧壁进行镀膜或沉积或保留原来外延材料形成扩散障碍层20，补偿修正侧壁各方向氧化速率的差异；对圆形台面结构10的侧壁进行扩散及氧化，形成氧化孔30。

在目前的技术中，对于氧化孔30的形状的修正缺乏研究，本发明发现不同的密勒指数的晶面其原子面密度不同，因而有不同的扩散速度，致使氧化的速度也不同。不光芯片是使用晶体经过外延及芯片工艺加工所制成，晶体本身具有一定的晶体方向，因此，在氧化工艺中，会因为晶体各方向面密度及表面能的不同而产生不同的氧化速率，从而造成不对称的氧化光窗，在实务上会因为不同的晶向而产生不同的形状。本发明采用在圆形台面结构10通过镀膜扩散障碍层20补偿扩散速度不同导致的氧化速度不同，使得各方向的速度趋于一致，进而使得氧化孔30趋向于正圆。可以理解的，台面结构即Mesa。

其中，水气在扩散障碍层内的扩散系数Kd小于或等于水气在半导体内的扩散系数Ks。可以理解的，当保留原来外延材料形成扩散障碍层20时，水气在扩散障碍层20内的扩散系数Kd等于水气在半导体内的扩散系数Ks，此时台面结构(平台)不刻蚀成圆柱形。

晶面（crystal plane)，即在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面。晶体在自发生长过程中可发育出由不同取向的平面所组成的多面体外形，这些多面体外形中的平面方向称为优选晶向（preferred orientation）。晶面的方位不是用角度而是用晶面指数来表示，其通式为（hkl）或{hkt}，前者表示一组平行的晶面；后者表示一族原子或分子排列完全相同的所有晶面。同一晶体中，凡晶面指数{hkl}不同的晶面，其原子分布状况及排列密度也不同，如fcc（111）晶面，每个原子周围有6个原子与其紧靠；（100）晶面上每个原子周围仅有4个原子与其紧靠；而在（110）面上仅有两个原子与其紧靠（如表所示）。在bcc中（110）面原子排列密度最大，（100）面次之，（111）面最小。晶面上原子排列密度的差别对晶体的性能有直接影响。晶面间距d是晶面指数（hkl）与点阵常数a、b、c和α、β、γ的函数。晶面指数越低，晶面间距越大，晶面指数越高，晶面间距越小。一般晶面间距大的晶面，面上的结点密度就越大。结点密度大的晶面，在晶体塑性形变、相变、解理、晶体外延、特别是衍射过程中起主要作用。

简单的，扩散障碍层20一般采用原子层沉积(ALD)、等离子辅助化学气相沉积(PECVD)、溅镀(Sputter) 工艺或外延本身材料中的一种或多种组合形成。

优选的，请参照图1，圆形台面结构10的已氧化区域31的半径为R，氧化孔30的目标区域32的期待半径为r，其中，R与r之间的关系满足：1<R/r≤5。可以理解的，已氧化区域31是指在侧向氧化工艺前的已经被氧化的区域。

请参照图3，台面刻蚀后直接侧向氧化形成的氧化孔30的中心距离边的距离为Rs，台面刻蚀后直接侧向氧化形成的氧化孔30的中心距离的距离为Rc，其中Rs、Rc、R和r满足：

（R-Rs）/（R-Rc）=1+Ks(Rs-r)/Kd(Rc-r)。

可以理解的，台面刻蚀后直接侧向氧化形成的氧化孔是一种类方形孔，角一般是弧形的。Rs即为类方形孔的中心距离类方形孔的边的距离，Rs即为类方形孔的中心距离类方形孔的角的距离。

保证各方向上的氧化速率趋于一致。台面刻蚀后直接侧向氧化的意思是指在台面刻蚀后直接侧向氧化，不设置扩散障碍层20，即传统正常的工序；设置扩散障碍层20即是对传统正常工序的一个补偿修正，使得氧化孔趋向于圆形。

圆形台面结构10一般都是圆柱形的，但是它其中某一层的铝含量比较高，AlxGa1-xAs (x~0.98)-> Al₂O₃的速度比较快，从而导致某一层的外层成分变成Al₂O₃，保留中心部分仍为AlAs，未设置扩散障碍层20的圆形台面结构10中AlAs/Al₂O₃的边界即为孔径的形状。

优选的如（100）晶向衬底，请参照图2，在氧化工艺前环绕圆形台面结构10的的圆心阵列设置、以圆形台面结构10的较慢扩散速率晶面方向与外圆的交点为圆心设置四个小圆，小圆与圆形台面结构10的外圆形成公切线，小圆与公切线连接的外轮廓与圆形台面结构10的外圆之间区域即为扩散障碍层20，即图2中的阴影（斜线）部分。其中小圆的半径为d，d满足：d=（Rc-Rs）*Ks/Kd。d为氧化孔30的中心距离角的距离与边的距离的差值乘以两材料扩散系数比值。即通过扩散障碍层20补偿使得修正后的（Rc-Rs）趋向于零。

进一步的，补偿修正角度为以衬底晶面方向为轴旋转45度。因(100)晶面属于4轴对称面，旋转角度为360度/4=45度。可以理解的，圆形台面结构10的面方向在选择衬底时就已确定，也可以用XRD（X射线衍射）自行检验进行确定，XRD衍射峰可以较方面的确定晶向。

一般的，圆形台面结构10利用光刻工艺定义刻蚀区域通过刻蚀形成。

优选的，扩散障碍层20的材料包括GaAs 、AlGaAs、Ga₂O₃、 Al₂O₃、AlN、BN、Al₂O₃、Si₃N₄、SiO₂、ZrO₂中的至少一种。

可以理解的，氧化孔径法VCSEL一般依次包括外延生长、p电极蒸发剥离、台面刻蚀、侧向氧化、二次台面刻蚀、n电极蒸发剥离、BCB涂覆及刻蚀、PAD（焊垫）镀膜及剥离等步骤。外延生长即生长外延层，一般为8~10微米厚度；p电极蒸发剥离即利用光刻工艺定义所需的镀膜区域，实施环形上电极的镀膜工艺；台面刻蚀即利用光刻工艺定义所需刻蚀的区域，形成有源区平台（台面结构 1）；侧向氧化即于氧化炉中利用水气对源区平台(台面结构1)侧壁进行扩散及氧化，形成氧化物绝缘层；二次台面蚀刻，裸露出N型外延层；n电极蒸发剥离，制作n型电极；BCB（benzocyclobutene苯并环丁烯）涂覆及刻蚀，形成保护层/绝缘层涂布；PAD焊垫制作。而本发明的扩散障碍层20的设置即在台面刻蚀之后、侧向氧化之前。

综上所述，本发明提供的一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，发现了氧化孔形状不规则的原因，并通过设置扩散障碍层使得氧化孔趋向于对称的圆形，使得VCSEL能够呈现出趋于完美的圆形光场。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，其特征在于，所述方法包括：

对经过台面刻蚀后的圆形台面结构的（100）晶面快速氧化方向上的侧壁进行镀膜、沉积或保留原来外延材料形成扩散障碍层，补偿修正侧壁各方向氧化速率的差异；

对已具有扩散障碍层的台面结构侧壁进行扩散及氧化，形成氧化孔。

2.根据权利要求1所述的一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，其特征在于，水气在扩散障碍层内的扩散系数Kd小于或等于水气在半导体内的扩散系数Ks。

3.根据权利要求2所述的一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，其特征在于，所述圆形台面结构的已氧化区域的半径为R，氧化孔的目标区域的期待半径为r，其中，R与r之间的关系满足：1<R/r≤5。

4.根据权利要求2所述的一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，其特征在于，台面刻蚀后直接侧向氧化形成的氧化孔的中心距离边的距离为Rs，台面刻蚀后直接侧向氧化形成的氧化孔的中心距离角的距离为Rc，其中，Rs、Rc、R和r满足：（R-Rs）/（R-Rc）=1+Ks(Rc-Rs)/Kd(R-r)。

5.根据权利要求4所述的一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，其特征在于，环绕圆形台面结构的区域的圆心阵列设置、以圆形台面结构的外圆与较慢扩散速率晶面方向的交点为圆心设置四个小圆，小圆与圆形台面结构的外圆形成公切线，小圆与公切线连接的外轮廓与圆形台面结构的外圆之间区域即为扩散障碍层。

6.根据权利要求5所述的一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，其特征在于，其中，小圆的半径为d，d满足：d=（Rc-Rs）*Ks/Kd。

7.根据权利要求1所述的一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，其特征在于，补偿修正角度为以修正前的孔径沿衬底晶面方向为轴心旋转45度。

8.根据权利要求1所述的一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，其特征在于，所述圆形台面结构利用光刻工艺定义刻蚀区域通过刻蚀形成。

9.根据权利要求1所述的一种修正（100）晶面氧化孔径的方法，其特征在于，所述扩散障碍层的材料包括GaAs、AlGaAs、Ga₂O₃、Al₂O₃、AlN、BN、Al₂O₃、Si₃N₄、SiO₂、ZrO₂中的至少一种。