CN112993751A - 一种纳米柱vcsel光源结构及其制备方法 - Google Patents

一种纳米柱vcsel光源结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米柱VCSEL光源结构及其制备方法，纳米柱VCSEL光源结构包括绝缘衬底以及纳米柱VCSEL，纳米柱VCSEL的一端设有N型布拉格反射镜层，纳米柱VCSEL的另一端设有P型布拉格反射镜层，N型布拉格反射镜层与P型布拉格反射镜层之间设有量子阱，纳米柱VCSEL设置在绝缘衬底上，绝缘衬底、纳米柱VCSEL上覆盖有钝化保护层，将纳米柱VCSEL固定在绝缘衬底上，纳米柱VCSEL的N型布拉格反射镜层上制作有N型电极，纳米柱VCSEL的P型布拉格反射镜层上制作有P型电极。本发明具有结构简单、极低阈值电流密度、高光电转换效率，低能耗等优点，为未来纳米光学器件的设计与单芯片光集成，微纳激光光源制备提供了新的思路。

Description

一种纳米柱VCSEL光源结构及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米级VCSEL器件制备技术领域，具体涉及一种纳米柱VCSEL光源结构及其制备方法。
背景技术
现阶段红光/红外VCSEL工艺中一般采取湿法氧化工艺，即利用水蒸汽从侧向渗透进入VCSEL与高铝氧化层反应生成氧化铝，形成高阻值、低折射率限制区，以实现VCSEL中的电流的限制和光学限制，减小阈值电流，提高电光转换效率形成模式限制。因VCSEL中氧化孔径的大小直接影响到器件在阈值电流密度、光电转换效率、激射光模式等性能方面的表现，所以氧化深度需要精确控制。由于现存氧化工艺复杂性高，稳定性差，精度难以控制到纳米级别等诸多因素，微型VCSEL光源一直难以实现。同时，由于氧化物和半导体之间热膨胀系数的差异，氧化物孔处会产生应力，降低了VCSEL的可靠性，尤其对于小孔径的VCSEL影响更是不可忽视。另一方面，AlxOy的导热系数约为0.7W/mK，而GaAs和AlAs的导热系数约为50W/mK，氧化孔处的热扩散不良也会限制激光二极管的功率和调制带宽。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种纳米柱VCSEL光源结构及其制备方法，本发明的纳米级VCSEL尺度电流限制能力强，使VCSEL阈值极低并提高了光电转换效率，且本发明不含氧化层的非氧化工艺，有效降低了VCSEL热阻，提高了调制带宽和输出功率，同时避免了繁琐的氧化工艺，极大的降低的生产过程中的不稳定因素，提高了生产效率。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种纳米柱VCSEL光源结构，包括绝缘衬底以及纳米柱VCSEL，所述纳米柱VCSEL的一端设有N型布拉格反射镜层，所述纳米柱VCSEL的另一端设有P型布拉格反射镜层，N型布拉格反射镜层与P型布拉格反射镜层之间设有量子阱，所述纳米柱VCSEL设置在绝缘衬底上，所述绝缘衬底、纳米柱VCSEL上覆盖有钝化保护层，将纳米柱VCSEL固定在绝缘衬底上，所述纳米柱VCSEL的N型布拉格反射镜层上制作有N型电极，所述纳米柱VCSEL的P型布拉格反射镜层上制作有P型电极。
进一步地，绝缘衬底包括本征硅衬底以及生长在本征硅衬底表面的绝缘层；所述绝缘层为SiO2绝缘层；
钝化保护层采用SiN或SiO2薄膜，SiN或SiO2薄膜也做为纳米柱VCSEL出光面的增透膜。
进一步地，所述纳米柱VCSEL的轴心线与绝缘衬底平行。
进一步地，纳米柱VCSEL中不含高铝组分氧化层。
本发明公开了一种纳米柱VCSEL光源结构的制备方法，包括如下步骤：
在衬底上生长VCSEL外延结构；
在VCSEL外延结构上刻蚀制备纳米柱VCSEL；
将纳米柱VCSEL从衬底上剥离；
转移纳米柱VCSEL至绝缘衬底；
在绝缘衬底的表面生长钝化保护层，钝化保护层覆盖纳米柱VCSEL；
刻蚀电极接触孔；
制备P型电极、N型电极。
进一步地，电极制备完成后对整个器件进行退火，完成纳米柱VCSEL光源结构制备。
进一步地，在衬底上生长VCSEL外延结构，具体包括：在衬底上从下到上依次生长缓冲层、N型布拉格反射镜层、量子阱、P型布拉格反射镜层，形成VCSEL外延结构；
在VCSEL外延结构上刻蚀制备纳米柱VCSEL，具体包括：在VCSEL外延结构上表面制备SiO2掩膜，使用ICP刻蚀形成纳米柱VCSEL，然后将顶端残留SiO2掩膜刻蚀干净；
将纳米柱VCSEL从衬底上剥离，具体包括：将纳米柱VCSEL从缓冲层处断裂，与衬底分离。
进一步地，酸洗纳米柱VCSEL以减少VCSEL侧壁刻蚀损伤，漂洗完成后马上在高纯N2氛围下退火，进一步修复VCSEL侧壁刻蚀损伤。
进一步地，转移纳米柱VCSEL至绝缘衬底后，纳米柱VCSEL的轴心线与绝缘衬底平行；转移纳米柱VCSEL的方法为静电吸附或使用FIB设备的机械探针转移；
绝缘衬底包括本征硅衬底以及生长在本征硅衬底表面的绝缘层；所述绝缘层为SiO2绝缘层。
进一步地，刻蚀电极接触孔，具体包括：采用电子束曝光工艺，在纳米柱VCSEL的P型布拉格反射镜层和N型布拉格反射镜层上方分别制作P型电极接触窗口、N型电极接触窗口，使用IRE设备将P型电极接触窗口、N型电极接触窗口处的钝化保护层刻穿；
钝化保护层采用SiN或SiO2薄膜，SiN或SiO2薄膜也做为纳米柱VCSEL出光面的增透膜；
制备P型电极、N型电极，具体包括：采用电子束曝光工艺，在P型电极接触窗口、N型电极接触窗口上分别制备P型电极、N型电极，使P型电极连接P型布拉格反射镜层，N型电极连接N型布拉格反射镜层。
本发明至少具有如下有益效果：本发明的纳米柱VCSEL光源结构，包括绝缘衬底以及纳米柱VCSEL，所述纳米柱VCSEL设置在绝缘衬底上，所述绝缘衬底、纳米柱VCSEL上覆盖有钝化保护层，将纳米柱VCSEL固定在绝缘衬底上，本发明的纳米柱VCSEL光源结构的纳米级VCSEL尺度电流限制能力强，使VCSEL阈值极低并提高了光电转换效率。
所述纳米柱VCSEL的一端设有N型布拉格反射镜层，所述纳米柱VCSEL的另一端设有P型布拉格反射镜层，N型布拉格反射镜层与P型布拉格反射镜层之间设有量子阱，纳米柱VCSEL中不含高铝组分氧化层。本发明采用不含氧化层的非氧化工艺，有效降低了VCSEL热阻，提高了调制带宽和输出功率，同时避免了繁琐的氧化工艺，极大的降低的生产过程中的不稳定因素，提高了生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的纳米柱VCSEL光源结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的纳米柱VCSEL光源结构的俯视图；
图3为本发明实施例提供的在VCSEL外延结构上刻蚀制备纳米柱VCSEL后的俯视图；
图4为本发明实施例提供的纳米柱VCSEL光源结构的制备方法的流程图。
其中，1为N型布拉格反射镜层，2为量子阱，3为P型布拉格反射镜层，4为绝缘层，5为本征硅衬底，6为钝化保护层，7为N型电极，8为P型电极，9为衬底，10为纳米柱VCSEL。
具体实施方式
下面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它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1至图3，本发明实施例公开了一种纳米柱VCSEL光源结构，包括绝缘衬底以及单根纳米柱VCSEL，所述纳米柱VCSEL的一端设有N型布拉格反射镜层1，所述纳米柱VCSEL的另一端设有P型布拉格反射镜层3，N型布拉格反射镜层1与P型布拉格反射镜层3之间设有量子阱2，所述纳米柱VCSEL设置在绝缘衬底上，所述绝缘衬底、纳米柱VCSEL上覆盖有钝化保护层6，将纳米柱VCSEL固定在绝缘衬底上，所述纳米柱VCSEL的N型布拉格反射镜层1上制作有N型电极7，N型电极7与N型布拉格反射镜层1相连，所述纳米柱VCSEL的P型布拉格反射镜层3上制作有P型电极8，P型电极8与P型布拉格反射镜层3相连，通过纳米柱VCSEL两端的电极控制纳米柱VCSEL的开关。
进一步地，绝缘衬底包括本征硅衬底5以及生长在本征硅衬底5表面的绝缘层4。纳米柱VCSEL设置于绝缘层4上。所述绝缘层4为SiO2绝缘层4。
钝化保护层6采用SiN或SiO2薄膜，作为纳米柱VCSEL的侧壁钝化保护层6，减少漏电流，同时SiN或SiO2薄膜也做为纳米柱VCSEL出光面的增透膜。
进一步地，将纳米柱VCSEL倒卧在绝缘衬底上，所述纳米柱VCSEL的轴心线与绝缘衬底平行。
进一步地，纳米柱VCSEL中不含高铝组分氧化层。
参见图1至图4，本发明实施例还公开了一种纳米柱VCSEL光源结构的制备方法，包括如下步骤：
在衬底9上生长VCSEL外延结构；
在VCSEL外延结构上刻蚀制备纳米柱VCSEL10，此时纳米柱VCSEL的轴心线与衬底垂直。
将纳米柱VCSEL从衬底上剥离；
转移纳米柱VCSEL至绝缘衬底；
在绝缘衬底的表面生长钝化保护层6，钝化保护层6覆盖纳米柱VCSEL；
刻蚀电极接触孔；
制备P型电极8、N型电极7；
电极制备完成后对整个器件进行退火，完成纳米柱VCSEL光源结构制备。
进一步地，在衬底上生长VCSEL外延结构，具体包括：在衬底上从下到上依次生长缓冲层、N型布拉格反射镜层1、量子阱2、P型布拉格反射镜层3，形成VCSEL外延结构。其中，本实施例的衬底为N型GaAs衬底。本实施例的缓冲层为GaAs缓冲层。本实施例的布拉格反射镜层所选材料为AlGaAs，量子阱2材料按照不同波长要求进行设计。特别的，VCSEL外延结构中不含高铝组分氧化层。
在VCSEL外延结构上刻蚀制备纳米柱VCSEL，具体包括：在VCSEL外延结构上表面制备SiO2掩膜，使用ICP刻蚀形成纳米柱VCSEL，然后将顶端残留SiO2掩膜刻蚀干净。本实施例在VCSEL外延结构上制备厚度1000～1200nm，直径1000～1500nm的SiO2掩膜，使用ICP设备刻蚀形成纳米柱VCSEL，刻蚀气体为Cl2(氯气)、BCL3(三氯化硼)，刻蚀深度约7～8um，刻穿GaAs缓冲层至N型GaAs衬底。然后使用IRE设备将顶端残留SiO2掩膜刻蚀干净，刻蚀气体为O2(氧气)、SF6(六氟化硫)。
酸洗纳米柱VCSEL以减少VCSEL侧壁刻蚀损伤，漂洗完成后马上在高纯N2氛围下退火，进一步修复VCSEL侧壁刻蚀损伤。本实施例的酸洗溶液为磷酸、双氧水、水溶液。室温下使用3：1：20的磷酸：双氧水：水漂洗上述步骤(在VCSEL外延结构上刻蚀制备纳米柱VCSEL)得到的基材10～15秒，以减少VCSEL侧壁刻蚀损伤。漂洗完成后马上在高纯N2氛围下300℃退火20min，进一步修复VCSEL侧壁刻蚀损伤。
将纳米柱VCSEL从衬底上剥离，具体包括：将衬底表面的纳米柱VCSEL完整剥离，剥离方法为机械按压剥离，纳米柱VCSEL将从N型GaAs缓冲层处断裂，与衬底分离。
本实施例在本征硅衬底5表面生长300～400nm厚SiO2绝缘层4，形成绝缘衬底。
进一步地，将纳米柱VCSEL转移至绝缘衬底的SiO2绝缘层4的表面上，转移纳米柱VCSEL的方法为静电吸附或使用FIB设备的机械探针转移。
进一步地，转移纳米柱VCSEL至绝缘衬底的绝缘层4表面后，纳米柱VCSEL的轴心线与绝缘衬底平行。
且转移纳米柱VCSEL至绝缘衬底的绝缘层4表面后，在承载纳米柱VCSEL的绝缘层4的表面继续生长SiN或SiO2薄膜，作为纳米柱VCSEL的侧壁钝化层，以减少纳米柱VCSEL侧壁的漏电流，减小阈值，同时SiN或SiO2薄膜也做为纳米柱VCSEL出光面的增透膜。SiN或SiO2薄膜厚度为四分之一个光学厚度的奇数倍。
进一步地，刻蚀电极接触孔，具体包括：采用电子束曝光工艺，在纳米柱VCSEL的P型布拉格反射镜层3和N型布拉格反射镜层1上方分别制作P型电极8接触窗口、N型电极7接触窗口，使用IRE设备将P型电极8接触窗口、N型电极7接触窗口处的钝化保护层(SiN或SiO2)刻蚀干净，即刻穿钝化保护层，使制备的P型电极、N型电极分别对应连接P型DBR、N型DBR。
制备P型电极8、N型电极7，具体包括：采用电子束曝光工艺，在P型电极8接触窗口、N型电极7接触窗口上分别制备P型电极8、N型电极7，使P型电极连接P型布拉格反射镜层，N型电极连接N型布拉格反射镜层。P型电极8材料为Ti/Pt/Au，厚度分别为60nm/80nm/250nm；N型电极7材料为Ge/Ni/Au合金-Au，Ge/Ni/Au合金的厚度是50nm，Au的厚度是350nm。
进一步地，电极制备完成后对整个器件进行退火，具体包括：使用RTP对整个器件进行快速退火，退火条件为420℃度30秒，待炉内温度降至室温时取出。
本发明的纳米柱VCSEL光源结构的纳米级VCSEL尺度电流限制能力强，使VCSEL阈值极低并提高了光电转换效率。本发明采用不含氧化层的非氧化工艺，有效降低了VCSEL热阻，提高了调制带宽和输出功率，同时避免了繁琐的氧化工艺，极大的降低的生产过程中的不稳定因素，提高了生产效率。
本发明具有结构简单、极低阈值电流密度、高光电转换效率，低能耗等优点，为未来纳米光学器件的设计与单芯片光集成，微纳激光光源制备提供了新的思路。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种纳米柱VCSEL光源结构，其特征在于：包括绝缘衬底以及纳米柱VCSEL，所述纳米柱VCSEL的一端设有N型布拉格反射镜层，所述纳米柱VCSEL的另一端设有P型布拉格反射镜层，N型布拉格反射镜层与P型布拉格反射镜层之间设有量子阱，所述纳米柱VCSEL设置在绝缘衬底上，所述绝缘衬底、纳米柱VCSEL上覆盖有钝化保护层，将纳米柱VCSEL固定在绝缘衬底上，所述纳米柱VCSEL的N型布拉格反射镜层上制作有N型电极，所述纳米柱VCSEL的P型布拉格反射镜层上制作有P型电极。
2.如权利要求1所述的纳米柱VCSEL光源结构，其特征在于：绝缘衬底包括本征硅衬底以及生长在本征硅衬底表面的绝缘层；所述绝缘层为SiO2绝缘层；
钝化保护层采用SiN或SiO2薄膜，SiN或SiO2薄膜也做为纳米柱VCSEL出光面的增透膜。
3.如权利要求1所述的纳米柱VCSEL光源结构，其特征在于：所述纳米柱VCSEL的轴心线与绝缘衬底平行。
4.如权利要求1所述的纳米柱VCSEL光源结构，其特征在于：纳米柱VCSEL中不含高铝组分氧化层。
5.一种纳米柱VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底上生长VCSEL外延结构；
在VCSEL外延结构上刻蚀制备纳米柱VCSEL；
将纳米柱VCSEL从衬底上剥离；
转移纳米柱VCSEL至绝缘衬底；
在绝缘衬底的表面生长钝化保护层，钝化保护层覆盖纳米柱VCSEL；
刻蚀电极接触孔；
制备P型电极、N型电极。
6.如权利要求5所述的纳米柱VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：电极制备完成后对整个器件进行退火，完成纳米柱VCSEL光源结构制备。
7.如权利要求5所述的纳米柱VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：在衬底上生长VCSEL外延结构，具体包括：在衬底上从下到上依次生长缓冲层、N型布拉格反射镜层、量子阱、P型布拉格反射镜层，形成VCSEL外延结构；
在VCSEL外延结构上刻蚀制备纳米柱VCSEL，具体包括：在VCSEL外延结构上表面制备SiO2掩膜，使用ICP刻蚀形成纳米柱VCSEL，然后将顶端残留SiO2掩膜刻蚀干净；
将纳米柱VCSEL从衬底上剥离，具体包括：将纳米柱VCSEL从缓冲层处断裂，与衬底分离。
8.如权利要求5或7所述的纳米柱VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：酸洗纳米柱VCSEL以减少VCSEL侧壁刻蚀损伤，漂洗完成后马上在高纯N2氛围下退火，进一步修复VCSEL侧壁刻蚀损伤。
9.如权利要求5所述的纳米柱VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：转移纳米柱VCSEL至绝缘衬底后，纳米柱VCSEL的轴心线与绝缘衬底平行；转移纳米柱VCSEL的方法为静电吸附或使用FIB设备的机械探针转移；
绝缘衬底包括本征硅衬底以及生长在本征硅衬底表面的绝缘层；所述绝缘层为SiO2绝缘层。
10.如权利要求5所述的纳米柱VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：刻蚀电极接触孔，具体包括：采用电子束曝光工艺，在纳米柱VCSEL的P型布拉格反射镜层和N型布拉格反射镜层上方分别制作P型电极接触窗口、N型电极接触窗口，使用IRE设备将P型电极接触窗口、N型电极接触窗口处的钝化保护层刻穿；
钝化保护层采用SiN或SiO2薄膜，SiN或SiO2薄膜也做为纳米柱VCSEL出光面的增透膜；
制备P型电极、N型电极，具体包括：采用电子束曝光工艺，在P型电极接触窗口、N型电极接触窗口上分别制备P型电极、N型电极，使P型电极连接P型布拉格反射镜层，N型电极连接N型布拉格反射镜层。
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