CN112787216A - 氧化物限制的垂直腔面发射激光器中的水分控制 - Google Patents
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Abstract
用于氧化物限制的VCSEL的制造顺序包括在暴露的水平表面上沉积保护性涂层，以防止在用于产生氧化物孔隙的侧向氧化工艺期间形成不希望的氧化物层。通过首先防止这些表面的氧化，消除了水分进入VCSEL的激活区的机会。例如，在开始用于形成VCSEL的氧化物孔隙的常规侧向氧化工艺之前，将暴露的含Al表面用介电材料的保护性涂层覆盖。在保护性涂层处于适当的位置的情况下，常规的制造工艺恢复，并且保护性涂层最终形成用于为最终的VCSEL器件提供电绝缘的钝化层的一部分。
Description
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface-emitting laser，VCSEL)，并且更具体地，涉及一种用于最小化水分侵入到氧化物限制的VCSEL的台面结构中的技术。
发明背景
在利用氧化物孔隙(oxide aperture)来提供电流限制的VCSEL的制造中，通常通过氧化VCSEL的分布式布拉格反射器(DBR)部分的暴露的台面结构来产生孔隙。台面内的选定层被先验地形成，以呈现出相对于结构中的剩余层快速地氧化的更高浓度的材料。在基于GaAs的VCSEL器件中，AlxGa1-xAs的孔隙层可以被有目的地形成以呈现出(例如)0.9或更高的铝含量x，因为已知铝具有高的氧化速率。通常，侧向氧化从暴露的台面侧壁向内进行，并且因此导致产生模仿台面本身的拓扑结构的中央孔隙形状。氧化速率取决于诸如AlxGa1-xAs层的材料组成、层厚度、氧化温度及类似因素的因素。
不幸地，氧化工艺还导致其他暴露的含Al表面也被轻微地氧化。特别地，围绕VCSEL台面结构的沟槽被轻微地氧化，在沟槽的顶表面上形成AlGa氧化物(AGO)。结果，水分可以通过AGO层中的进入点传播并到达台面，降低了VCSEL的发射器的性能和/或可靠性。
解决水分侵入问题的一种方法包括在氧化工艺之后沉积多个钝化层，试图增加在AGO层内形成的所有“针孔”将被覆盖的可能性，防止任何外部水分传播通过。然而，在沉积最外面的钝化层之前存在的任何水分将仍然保持被截留，并且能够降低器件性能。另一种方法是基于利用具有疏水性质的专用钝化膜。
发明概述
本发明解决了与氧化物限制的VCSEL结构中的水分的存在相关联的问题，并且特别地涉及修改制造工艺以首先防止形成不希望的氧化物层，因此这消除了水分通过这些氧化物进入的机会。
根据本发明的原理，在开始用于形成VCSEL的氧化物孔隙的常规侧向氧化工艺之前，将暴露的含Al表面用介电材料的保护性涂层覆盖。保护性涂层通过不使含Al材料暴露并可用于氧化，首先消除了形成不希望的AGO层的可能性。在保护性涂层处于适当的位置的情况下，常规的制造工艺恢复，其中保护性涂层最终形成用于为最终的VCSEL器件提供电绝缘的钝化层的一部分。可以调节沉积的钝化层的厚度以适应保护性涂层的存在，但这不是必需的。
在一些优选的实施方案中，相同的介电材料可以被用于预氧化保护性涂层和最终的钝化层两者。例如，氮化硅可以被用于保护性涂层和钝化层两者。在其他情况下，可以使用不同的材料，只要保护性涂层包括保护下面的含Al表面层并且大体上消除不希望的AGO层的形成的介电材料。
本发明的示例性实施方案采用VCSEL的形式，该VCSEL包括基底，在该基底上设置第一分布式布拉格反射器和第二分布式布拉格反射器(DBR)，每个DBR包括具有交替的折射率值的层的堆叠，其中第二DBR形成为台面结构，该台面结构具有暴露层的堆叠的端部区域的外部边界。激活层(active layer)被定位在第一DBR和第二DBR之间，其中孔隙层被设置在第二DBR内，该孔隙层被形成为具有比层的堆叠中的剩余层更高的氧化元素浓度。VCSEL还包括介电材料的保护性涂层，该保护性涂层被沉积以覆盖第一DBR和第二DBR的暴露的水平表面部分。
本发明的原理还体现在制造氧化物限制的VCSEL的方法中，该方法包括以下步骤：a)在基底上生长具有交替的折射率和受控的厚度的层的堆叠，以形成第一分布式布拉格反射器(DBR)；b)在第一DBR上形成多量子阱结构的激活区；c)在激活区上生长具有交替的折射率和受控的厚度的层的堆叠，以形成第二DBR，其中第二DBR层的堆叠内的层被定义为孔隙层并且呈现出比第二DBR层的堆叠中的剩余层更高的氧化物形成元素浓度；d)蚀刻第二DBR的层的堆叠以形成暴露包括孔隙层的层的边缘的台面结构，所述蚀刻在台面结构周围形成沟槽，该沟槽具有包括氧化材料的顶表面层；e)用保护性涂层覆盖沟槽；以及f)在孔隙层上执行侧向氧化工艺，以便在VCSEL内产生氧化物孔隙。
在以下讨论的过程期间并且通过参考附图，本发明的其他和另外的实施方案和方面将变得明显。
附图简述
现在参考附图，其中相同的数字在若干个视图中代表相同的部件：
图1是现有技术的氧化物限制的VCSEL的剖视图，其示出了在器件的沟槽表面上形成不希望的氧化物层；
图2图示出了在VCSEL制造工艺中在顶部DBR内形成台面结构之后的步骤；
图3示出了根据本发明的VCSEL制造工艺中的后续步骤，在器件上沉积涂层材料，如图2中所示的；
图4图示出了掩模层在沉积的涂层材料上的定位，界定了在侧向氧化工艺之前待去除的涂层材料的区域；
图5图示出了以下步骤，其中涂层材料的界定的部分通过蚀刻去除，以暴露台面结构；
图6图示出了侧向氧化工艺的开始，其中顶部DBR内的孔隙层开始氧化；
图7图示出了在侧向氧化工艺完成时VCSEL的构造，产生了期望的宽度W的氧化物孔隙；和
图8图示出了最终的VCSEL器件，包括在保护性涂层和台面上形成的钝化层，以及到两个DBR的导电接触点。
详述
垂直腔面发射激光器(VCSEL)由一对分布式布拉格反射器(DBR)组成，该对DBR用作激光腔的相对镜面，其中激光器的激活区和电流限制结构被定位在该对DBR之间。示例性的DBR由具有交替组成的相对薄的层形成，一组层呈现出相对高的折射率，并且另一组层呈现出相对低的折射率，使得两种类型的层的交替排列形成所需的反射(镜)结构。在基于GaAs的VCSEL器件结构中，DBR由GaAs和AlGaAs的交替层形成。
图1是常规的现有技术的VCSEL 10的简化的剖视图，图示出了第一DBR 12(生长在GaAs基底13上)和第二(相对的)DBR 14。如所示出的，第二DBR 14被形成为呈现出台面结构，允许对第一DBR 12(以沉积的第一接触点16的形式)和第二DBR 14(此处，沉积的第二接触点18)两者进行顶侧面电接触。如本领域中所熟知的，其他配置可以将第一接触点16定位在基底13的背面上。包括一个或更多个量子阱层的激活区20形成在第一DBR 12和第二DBR14之间，其中电流限制的孔隙层22包括在激活区20上形成的不同组成的中央区24(在下文中被称为“氧化物孔隙24”)。如本领域中已知的，氧化物孔隙24被用于将电流和传播的光学模式限制在结构的中央，其中由VCSEL 10产生的光束通过顶表面离开第二DBR 14。
第二DBR 14的台面结构通常通过光刻工艺、随后通过蚀刻步骤来界定，其中常规的台面30具有大致圆形的横截面，在三维形式中为圆柱形或圆锥形。如从图1的图示明显的，台面结构30的形成暴露了形成第二DBR 14的各个AlGaAs层的侧壁区，包括孔隙层22。孔隙层22包括AlGaAs层，其相对于该结构内AlGaAs层的剩余部分具有增加的比例的铝。在用于产生氧化物孔隙24的侧向氧化工艺期间，较高的铝浓度导致孔隙层22相对于剩余层的较高的氧化速率。以已知的方式控制氧化参数允许形成期望的宽度W的氧化物孔隙24。
虽然可用于产生期望的几何形状的孔隙，但在VCSEL形成中使用的常规的侧向氧化工艺还导致VCSEL结构的所有其他暴露的含Al表面的氧化(轻微地)。特别地，在侧向氧化工艺期间，第一DBR 12的顶部AlGaAs层12-T将被轻微地氧化。虽然层12-T中的铝浓度显著地低于孔隙层22的铝浓度，但是存在足够的铝以在层12-T上形成薄的AlGa-氧化物(AGO)层26，如图1中所示。由于不希望的AGO层26的形成，来自外部环境的水分能够渗透穿过该氧化物中的针孔，并且从这些进入点(如图1中的箭头所示)向激活区20传播。已知VCSEL器件中的水分的存在会降低VCSEL器件的性能和/或降低VCSEL器件的可靠性。
根据本发明的原理，已经发现可以通过在开始侧向氧化工艺之前首先用保护性材料包覆VCSEL结构的含Al层来消除水分渗透的可能性。特别地，介电材料优选地用作保护性涂层，使得不需要稍后去除涂层，而是保留涂层作为所制造的器件的最终钝化层的一部分。
图2-图5图示出了用于在VCSEL制造顺序中包括保护性涂层的示例性工艺，该工艺与经由侧向氧化产生氧化物孔隙24相关联。应理解，这些图不按比例绘制，并且此处未描述的关于工艺条件的多个细节是本领域技术人员很好理解的。
图2图示出了在加工第二DBR 14以产生台面结构30之后不久的示例性VCSEL器件结构。如上文所提到的，台面结构30的产生暴露了形成第二DBR 14的各个层的边缘E。还暴露了第一DBR 12的顶表面层12-T和第二DBR 14的顶表面层14-T。这两个层还包含AlGaAs，尽管其中铝浓度远低于孔隙层22的铝浓度。即使如此，如果在制造顺序的下一步骤(如现有技术中的情况)后立即进行侧向氧化工艺，则这些层中暴露的铝将被轻微地氧化。
然而，与现有技术的工艺相反，本发明的顺序继续以在这些含Al表面层上形成保护性涂层，以便防止表面暴露的铝氧化并形成AGO层。图3图示出了保护性涂层40的沉积，在这种情况下，其在VCSEL结构的整个暴露的表面上产生保形涂层。保护性涂层40可以包括任何合适的介电材料，包括例如SiNx、SiOx、AlOx或类似物。
一旦沉积，保护性涂层40被图案化(如通过图4中的掩模层50所示出的)并且被蚀刻以暴露孔隙层22的边缘，如图5中所示，使得常规的侧向氧化工艺将仅与高铝含量的孔隙层22反应。保护性涂层40的图案化被具体地界定和控制，使得大部分含Al层12-T和14-T保持被保护性涂层40覆盖，并且在用于产生氧化物孔隙24的后续侧向氧化工艺期间将不被氧化。
一旦保护性涂层40已经被图案化和蚀刻，常规的VCSEL制造工艺然后可以恢复，如图6中所示。此处，VCSEL结构在足以开始孔隙层22的暴露的外边缘22-E的氧化(即“侧向氧化”工艺)的升高的温度经历N2/H2/H2O(例如)的混合物。通过图6中的箭头示出了孔隙层22的氧化的部分从台面的外边缘朝向结构的中央的推进。图7图示出了在侧向氧化工艺完成时的结构，其中氧化物孔隙24的最终形式呈现出期望的宽度W。
根据本发明的教导，保护性涂层40在侧向氧化工艺期间保持完整，并且因此防止跨越第一DBR 12的顶层12-T和第二DBR 14的顶层14-T形成AGO层。在形成氧化物孔隙24之后，标准的钝化层80被沉积在该结构上，如图8中所示，其中保护性涂层40的剩余部分形成VCSEL器件的该最终电绝缘的一部分。虽然钝化层80可以由与保护性涂层40相同的介电材料形成，但这不是必需的。产生用于第一DBR 12的第一电接触点82和用于第二DBR 14的第二电接触点84的另外的步骤可以在如上文概括的用于形成保护性涂层的步骤之前或之后进行。第一电接触点82可以位于VCSEL结构的“顶表面”上，如图8中所示，或者可选择地，可以被形成为基底13的下表面上的“背面”接触点，如同典型的VCSEL制造工艺。
尽管前述涉及本发明的实施方案，但是可以在不偏离本发明的基本范围的情况下设想本发明的其他和另外的实施方案，本发明的基本范围由所附的权利要求确定。
Claims (13)
1.一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)，包括：
基底，在所述基底上设置第一分布式布拉格反射器和第二分布式布拉格反射器(DBR)，每个DBR包括具有交替的折射率值的层的堆叠，所述第二DBR被形成为台面结构，所述台面结构具有暴露所述层的堆叠的端部区域的外部边界；
激活层，所述激活层被设置在所述第一DBR和所述第二DBR之间；
孔隙层，所述孔隙层被设置在所述第二DBR内并且具有比所述层的堆叠中的剩余层更高的氧化元素浓度；和
保护性涂层，所述保护性涂层被沉积以覆盖所述第一DBR和所述第二DBR的暴露的水平表面部分。
2.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述孔隙层和所述第一DBR的顶表面层包含铝，其中所述孔隙层被形成为呈现出比所述第一DBR的所述顶表面层更高的铝浓度。
3.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述保护性涂层是介电材料。
4.如权利要求3所述的VCSEL，其中介电材料的所述保护性涂层选自由以下组成的组：SiNx、SiOx和AlOx。
5.如权利要求1所述的VCSEL，其中所述VCSEL还包括外部钝化层，所述外部钝化层被沉积以覆盖所述保护性涂层和所述第二DBR的所述台面结构的暴露的端部区域。
6.一种制造氧化物限制的垂直腔面发射激光器(VCSEL)的方法，包括：
a)在基底上生长具有交替的折射率和受控的厚度的层的堆叠，以形成第一分布式布拉格反射器(DBR)；
b)在所述第一DBR上形成多量子阱结构的激活区；
c)在所述激活区上生长具有交替的折射率和受控的厚度的层的叠层，以形成第二DBR，其中第二DBR层的堆叠内的层被定义为孔隙层，并且呈现出比第二DBR层的堆叠中的剩余层更高的氧化物形成元素浓度；
d)蚀刻所述第二DBR的所述层的堆叠以形成暴露包括所述孔隙层的层的边缘的台面结构，所述蚀刻在所述台面结构周围形成沟槽，所述沟槽具有包括氧化材料的顶表面层；
e)用保护性涂层覆盖所述沟槽；以及
f)在所述孔隙层上执行侧向氧化工艺，从而在所述VCSEL内产生氧化物孔隙。
7.如权利要求6所述的方法，其中步骤e)包括以下步骤：
在蚀刻的结构上沉积保形涂层；
使所述保形涂层图案化以界定待被暴露且未被所述保护性涂层覆盖的所述台面结构的边缘区；
蚀刻图案化的保形涂层以去除沿所述台面结构的界定的部分，以界定所述保护性涂层。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述保护性涂层包括介电材料。
9.如权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：
g)在步骤f)中形成的结构上沉积钝化层，以便覆盖所述保护性涂层和所述台面结构的暴露的边缘区。
10.如权利要求8所述的方法，其中所述钝化层包括介电材料。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述保护性涂层和所述钝化层包括相同的介电材料。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述保护性涂层和所述钝化层包括不同的介电材料。
13.如权利要求5所述的方法，其中所述孔隙层和所述沟槽的顶表面层包括铝，其中所述孔隙层具有比所述沟槽的顶表面层更高的铝含量。
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