CN112382926B - 一种低电容的垂直腔面发射激光器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低电容的垂直腔面发射激光器,包括衬底、外延层、第一电极、第二电极和有机聚合物层,其外延层通过绝缘隔离形成器件发光区,第二电极包括环形部和引出部,环形部设于器件发光区之上且内部形成激光器的出光口,引出部由环形部延伸至器件发光区之外,引出部下方的器件发光区之外的外延层设有若干向下延伸的空气柱,有机聚合物层设于引出部和外延层之间。本发明还公开了上述激光器的制作方法。本发明通过在第二电极下方的外延层制作若干孔洞状结构并形成空气柱减小第二电极下方材料的等效介电常数,降低了整体的厚度和表面厚度差异,芯片的可焊性得到了明显的提升。

Description

一种低电容的垂直腔面发射激光器及制作方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域,尤其涉及一种低电容的垂直腔面发射激光器及制作方法。
背景技术
随着通讯技术的发展,用于数据中心的光芯片需求量急剧增长。GaAs基垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为一种低成本、性能优异的近距离通信光源得到了广泛应用。目前GaAs基VCSEL产品已经由10G向25G过渡。随着传输速率的提升,要求VCSEL必须具备极低的结电容及附加电容。结电容主要通过减小PN结的面积实现。而附加电容主要来源于电极电容的贡献,所以减小附加电容必须减小电极电容的贡献。由于N型衬底缺陷密度低,目前GaAs基VCSEL普遍采用N型衬底作为衬底,并采用同侧电极结构,电极的电容效应非常严重。为了降低电极电容,目前普遍采用的方法是在电极下方插入厚的介质膜绝缘层或有机聚合物层,通过增加绝缘介质厚度来降低电容,这种工艺对电极与下方结构形成的MIS电容效应的降低效果不佳,且导致芯片可焊性恶化严重。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,提供一种低电容的垂直腔面发射激光器及制作方法。
为了实现以上目的,本发明的技术方案为:
一种低电容的垂直腔面发射激光器,包括衬底、外延层、第一电极、第二电极和有机聚合物层;所述外延层包括按序设于所述衬底上的第一DBR、谐振腔和第二DBR,所述第一电极设于所述衬底上,所述第二电极设于所述外延层上;所述外延层通过绝缘隔离形成器件发光区,所述第二电极包括环形部和引出部,所述环形部设于所述器件发光区之上且内部形成所述激光器的出光口,所述引出部由环形部延伸至器件发光区之外,所述引出部下方的器件发光区之外的外延层设有若干向下延伸的空气柱,所述有机聚合物层设于所述引出部和外延层之间。
可选的,所述空气柱贯穿所述外延层。
可选的,所述空气柱的直径小于5μm。
可选的,若干所述空气柱的总面积占所述引出部的覆盖面积的10%~50%。
可选的,所述有机聚合物层的材料是PI、光刻胶或BCB,厚度为500nm~3μm。
可选的,还包括第一介质层,所述外延层表面覆盖有所述第一介质层,所述第一介质层设有让位于所述环形部和出光口的开口,所述空气柱贯穿所述第一介质层;所述有机聚合物层设于所述第一介质层之上。
可选的,还包括第二介质层,所述有机聚合物层和所述引出部之间设有所述第二介质层。
上述低电容的垂直腔面发射激光器的制作方法,包括以下步骤:
1)提供垂直腔面发射激光器的中间制程结构,所述中间制程结构包括衬底、设于衬底之上的外延层,所述外延层通过绝缘隔离形成器件发光区,所述器件发光区之上设有第二电极的环形部;
2)蚀刻器件发光区之外的外延层形成若干空气柱;
3)涂覆有机聚合物,形成所述有机聚合物层;
4)制作第一电极和第二电极的引出部。
可选的,步骤1)中,所述中间制程结构还包括第一介质层,所述器件发光区和器件发光区之外的外延层之间设有裸露所述衬底的沟槽,所述第一介质层形成于所述外延层表面以及裸露的衬底表面,所述第一介质层于所述衬底上设有用于第一电极连接的开口,于所述器件发光区上设有让位于所述环形部和出光口的开口;步骤2)中,蚀刻第一介质层和外延层形成所述空气柱。
可选的,步骤3)中,所述有机聚合物还填充所述沟槽以形成所述绝缘隔离。
可选的,步骤3)之后,还包括形成第二介质层的步骤,步骤4)中,所述引出部形成于所述第二介质层之上。
进一步的,衬底为N型衬底;
本发明的有益效果为:
(1)通过在第二电极(P电极)下方的外延层制作若干孔洞状结构并形成空气柱,由于空气的介电常数较低,可以减小第二电极下方材料的等效介电常数,降低由第二电极与衬底之间产生电容等效;同时在外延层和第二电极之间形成具有一定厚度的有机聚合物层,一方面进一步减小了介电常数,另一方面增大了电极之间的间距;两者结合达到降低芯片附加电容的目的,减小了MIS电容效应,效果好。
(2)不需要插入很厚的有机聚合物层即可达到较好的降低电极电容的效果,降低了整体的厚度和表面厚度差异,芯片的可焊性得到了明显的提升。
附图说明
图1为实施例的一种低电容的垂直腔面发射激光器的结构示意图;
图2为图1中第一电极和第二电极的俯视示意图,图中显示空气柱与第二电极的位置关系;
图3为图1的垂直腔面发射激光器的工艺流程图,图中示意各个步骤所形成的结构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明,其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及顶面/底面的定义,在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言,因此皆可以翻转而呈现相同的构件,此皆应同属本说明书所揭露的范围。
参考图1和图2,一种低电容的垂直腔面发射激光器,包括衬底1、外延层2、第一介质层3、有机聚合物层4、第二介质层5、第一电极6、第二电极7和绝缘层4’。第一电极6和外延层2设于衬底1之上,第二电极7设于外延层2之上。外延层2通过绝缘隔离形成器件发光区2a,第二电极7包括环形部71和引出部72,所述环形部71设于所述器件发光区2a之上且内部形成出光口A,所述引出部72由环形部71延伸至器件发光区2a之外,所述引出部72下方的器件发光区2a之外的外延层2设有若干向下延伸的空气柱8,所述有机聚合物层4设于所述引出部72和外延层2之间。
作为一种已知GaAs基VCSEL激光器结构的举例,外延层2包括按序设于衬底1之上的第一DBR 21、谐振腔22和第二DBR 23,其中谐振腔22包括量子阱有源区221、设于量子阱有源区221两侧的包覆层222和用于限定有效电流区域的氧化层223;衬底1是N型衬底,第一DBR 21为N型DBR,第二DBR 23为P型DBR,第一电极6(N电极)设于所述衬底1之上,第二电极7(P电极)设于第二DBR 23之上。绝缘隔离是通过蚀刻外延层2形成裸露衬底1的沟槽2b并填充绝缘材料实现的。具体,在形成沟槽2b以定义出器件发光区2a之后,沉积第一介质层3覆盖上述结构的表面,包括裸露的衬底1表面和外延层2表面以起到保护和隔绝水汽的作用。第一介质层3设有用于第一电极6与衬底1连接的开口以及让位于环形部71和出光口A的开口。空气柱8贯穿第一介质层3。有机聚合物层4设于第一介质层3上,在形成有机聚合物层4的过程中,有机聚合物同样填充于沟槽2b之中以及覆盖器件发光区2a的其他表面,形成绝缘层4’,从而形成绝缘隔离的作用。第二介质层5设于绝缘层4’和有机聚合物层4表面,引出部72设于第二介质层5之上。
空气柱8的深度越深,电极电容的减少效果越好。作为一个较佳的实施例,空气柱8贯穿第一介质层3并贯穿外延层2,即沿厚度方向由第一介质层3向外延层2形成若干通孔,通孔内为空气,形成空气柱。为确保形成有机聚合物层4时,有机聚合物不会进入空气柱8内,空气柱的直径小于5μm。较佳的,空气柱8的总面积占引出部72的覆盖面积的10%-50%,并且均匀分散或规则排列。有机聚合物层的材料为PI(聚酰亚胺)、光刻胶或BCB(苯并环丁烯),厚度为500nm~3μm。
参考图3,以下步骤具体说明上述低电容的垂直腔面发射激光器的制作方法:
参考3a,提供垂直腔面发射激光器的中间制程结构,所述中间制程结构包括衬底1、设于衬底1之上的外延层2和第一介质层3,外延层2通过裸露衬底1的沟槽2b定义出器件发光区2a;第一介质层3设于外延层2表面以及裸露的衬底1表面,并于衬底1上设有第一开口32,于器件发光区2a上设有第二开口33,第二开口33之内设有第二电极的环形部72。
参考3b,利用光刻技术,以光刻胶作为掩膜,利用干法刻蚀或湿法刻蚀技术依次蚀刻器件发光区之外的第一介质层3和外延层2形成若干通孔8’。
参考3c,涂覆有机聚合物,有机聚合物于器件发光区2a的第二开口33之外的表面以及填充沟槽2b形成绝缘层4’,于器件发光区2a之外的外延层2之上的第一介质层3表面形成有机聚合物层4,由于有机聚合物不会进入通孔8’且封闭了通孔8’的顶部开口,从而通孔8’内形成空气柱8。
参考3d,于第一开口32和第二开口33之外形成第二介质层5。
参考3e,制作第一电极6和第二电极的引出部72。
实施例1
采用上述结构,第一DBR 21的厚度为5.14μm,等效介电常数11.59;谐振腔22的厚度为0.0.246μm,等效介电常数11.35;第二DBR 23的厚度为3.19μm,等效介电常数11.59;有机聚合物层4的厚度为1μm,介电常数2.25;第一介质层3和第二介质层5的总厚度为0.2μm,介电常数3.8。空气柱8的总面积占引出部72的覆盖面积的50%,空气柱8贯穿外延层2。通过计算可知,上述结构等效介电常数减小44%,因而可减小电极电容44%以上。
通过设置不同空气柱总面积占引出部覆盖面积的百分比,得到的对电极电容减小的百分比见下表:
空气柱的总面积占所述引出部的覆盖面积的 减小电极电容
0% 0
10% 8.8%
20% 17.8%
30% 26.7%
40% 35.5%
50% 44%
可见,本发明通过引入低介电常数的空气柱以及设置有机聚合物层,一方面减小了等效介电常数,另一方面增加了电极和半导体之间的距离,从而降低了电极电容。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种低电容的垂直腔面发射激光器及制作方法,但本发明并不局限于实施例,凡是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,均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (11)

1.一种低电容的垂直腔面发射激光器,其特征在于:包括衬底、外延层、第一电极、第二电极和有机聚合物层;所述外延层包括按序设于所述衬底上的第一DBR、谐振腔和第二DBR,所述第一电极设于所述衬底上,所述第二电极设于所述外延层上;所述外延层通过绝缘隔离形成器件发光区,所述第二电极包括环形部和引出部,所述环形部设于所述器件发光区之上且内部形成所述激光器的出光口,所述引出部由环形部延伸至器件发光区之外,所述引出部下方的器件发光区之外的外延层设有若干向下延伸的空气柱,所述有机聚合物层设于所述引出部和外延层之间。
2.根据权利要求1所述的低电容的垂直腔面发射激光器,其特征在于:所述空气柱贯穿所述外延层。
3.根据权利要求1所述的低电容的垂直腔面发射激光器,其特征在于:所述空气柱的直径小于5μm。
4.根据权利要求1所述的低电容的垂直腔面发射激光器,其特征在于:若干所述空气柱的总面积占所述引出部的覆盖面积的10%~50%。
5.根据权利要求1所述的低电容的垂直腔面发射激光器,其特征在于:所述有机聚合物层的材料是PI、光刻胶或BCB,厚度为500nm~3μm。
6.根据权利要求1所述的低电容的垂直腔面发射激光器,其特征在于:还包括第一介质层,所述外延层表面覆盖有所述第一介质层,所述第一介质层设有让位于所述环形部和出光口的开口,所述空气柱贯穿所述第一介质层;所述有机聚合物层设于所述第一介质层之上。
7.根据权利要求1所述的低电容的垂直腔面发射激光器,其特征在于:还包括第二介质层,所述有机聚合物层和所述引出部之间设有所述第二介质层。
8.一种基于权利要求1~7任一项所述低电容的垂直腔面发射激光器的制作方法,其特征在于包括以下步骤:
1)提供垂直腔面发射激光器的中间制程结构,所述中间制程结构包括衬底、设于衬底之上的外延层,所述外延层通过绝缘隔离形成器件发光区,所述器件发光区之上设有第二电极的环形部;
2)蚀刻器件发光区之外的外延层形成若干空气柱;
3)涂覆有机聚合物,形成所述有机聚合物层;
4)制作第一电极和第二电极的引出部。
9.根据权利要求8所述的制作方法,其特征在于:步骤1)中,所述中间制程结构还包括第一介质层,所述器件发光区和器件发光区之外的外延层之间设有裸露所述衬底的沟槽,所述第一介质层形成于所述外延层表面以及裸露的衬底表面,所述第一介质层于所述衬底上设有用于第一电极连接的开口,于所述器件发光区上设有让位于所述环形部和出光口的开口;步骤2)中,蚀刻第一介质层和外延层形成所述空气柱。
10.根据权利要求9所述的制作方法,其特征在于:步骤3)中,所述有机聚合物还填充所述沟槽以形成所述绝缘隔离。
11.根据权利要求8所述的制作方法,其特征在于:步骤3)之后,还包括形成第二介质层的步骤,步骤4)中,所述引出部形成于所述第二介质层之上。
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