CN113140960B - 一种基于化合物半导体材料紫外vcsel芯片及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的属于半导体电子信息技术领域，具体为一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片及制作方法，包括基底，所述基底的上方设置有外延层，所述外延层的上方设置有发光层，所述外延层包括低温AlN层，所述低温AlN层的上方设置有高温AlN层，所述高温AlN层的上方设置有含硅层，所述含硅层的上方设置有重硅层，所述发光层包括掺硅层，所述掺硅层的上方设置有超晶格层，本发明设计的芯片通过外延和芯片生长制作技术进行制造，能够得到波长在200～280nm的UVC波段紫外光VCSEL，突破和克服了200nm以上的UVC波段VCSEL芯片制作难题和发光效率难题。

Description

一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片及制作方法
技术领域
本发明涉及半导体电子信息技术领域，具体为一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片及制作方法。
背景技术
随着科技进步和发展，化合物半导体芯片应用越来越广泛，基于化合物半导体及其他材料的VCSEL芯片广泛应用，垂直腔面发光激光器(Vertical cavity surfaceemitting laser，简称VCSEL)具有高输出功率和高质量光束优点，相比于传统边发射激光器和LED芯片而言，垂直腔面发光激光器在集中度、小型化、可靠性、精度等方面具有较大的优势。目前VCSEL芯片波长基本处于950～1100nm波段，基于GaAs材料的垂直导电和顶端出光，主要应用于传感和识别，随着技术发展，短波紫外光VCSEL芯片也开始逐渐兴起，短波紫外光VCSEL激光器可以集中发射200～400nm范围的紫外光，在杀菌消毒、紫外光通信、检测、分析方面应用越来越广泛。
目前VCSEL主要是集中在红外波段，基底材料以GaAs为主，因为此波段的VCSEL制作相对容易，材料生长也比较容易，其生长过程中，无论是n型区、p型区，还是DBR反射区，都不会吸收红外波段的光，且其材料都是导电的，可以依照现有的方法生长外延结构和制作芯片。
紫外光的波长较短，而普通材料不容易透过紫外光，因此需要能带宽度很高的材料才可以产生和反射短波紫外光，其中短波紫外VCSEL发出的紫外光波长很短，只有禁带宽度高的材料才能不产生吸收，而能带宽度和禁带宽度高的材料的导电性都比较差，因此无法采用垂直方法直接制作电极，需要特殊外延结构设计及芯片结构设计和制作，才能满足紫外光VCSEL的各项应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片及制作方法，以解决上述背景技术中提出的现有的短波紫外VCSEL无法采用垂直方法直接制作电极的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片，包括基底，所述基底的上方设置有外延层，所述外延层的上方设置有发光层，所述外延层包括低温AlN层，所述低温AlN层的上方设置有高温AlN层，所述高温AlN层的上方设置有含硅层，所述含硅层是厚度为300～500nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，所述含硅层的上方设置有重硅层，所述重硅层是厚度为500～800nm的n++型Al1-yGayN(x<y＜1)，所述发光层包括掺硅层，所述掺硅层是厚度为100～200nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，所述掺硅层的上方设置有超晶格层，所述超晶格层是厚度为40～300nm的n型BAlGaN/AlGaN超晶格，所述超晶格层的上方设置有量子阱层，所述量子阱层的材质为BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)/AlGaN，所述量子阱层的上方设置有含镁层，所述含镁层是厚度为20～50nm的p型AlGaN，所述含镁层的上方设置有重镁层，所述重镁层是厚度为10～20nm的p++型AlGaN，所述基底的下表面、外延层的上表面及发光层的外侧均设置有DBR层，所述DBR层的材质为高禁带宽度材料，所述发光层上方的DBR层上方设置有防护层，所述外延层的上表面及发光层的外侧的DBR层的本体上蚀刻有电极层，所述基底下侧的DBR层的下方设置有镀Ag层。
优选的，所述DBR层包括薄镀层，所述DBR层由30～50个薄镀层周期性排列组成，所述薄镀层的厚度为紫外光的波长与薄镀层材料折射率之比的1/4，所述薄镀层是由HfO2和SiO2或者Al2O3和SiO2或者掺杂Y2O3的HfO2(YHfO)和SiO2这三种组合材料中的一种、两种或三种混合组成。
优选的，所述基底的材质为蓝宝石、硅、GaN、AlN和SiC中的至少一种。
优选的，所述超晶格层包括单体层，所述超晶格层由10～30个单体层周期排列组成，所述单体层的厚度为4～10nm。
优选的，所述量子阱层包括势阱层和势垒层，所述势阱层的材质为AlGaN，所述势垒层的材质为BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)，所述量子阱层的量子阱阱数为1～2，所述量子阱层的量子阱阱层为2～3nm，所述量子阱层的量子阱垒层厚度为15～17nm。
一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片的制作方法，该基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片的制作方法如下：
步骤一：对基底进行清洗干燥，同时将MOCVD设备升温至1200℃，然后将清洗完毕后将基底放入MOCVD设备中烘烤20分钟，然后将MOCVD设备内的温度降低至500℃，气压降低到150torr，然后向MOCVD设备内通入三甲基铝和氨气，此时基底的表面会生长出一层50～100nm的低温AlN，该低温AlN组成低温AlN层；
步骤二：然后将MOCVD设备内的温度升至1100℃，气压升到200torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝和氨气，此时低温AlN层的表面会生长出一层300±20nm的高温AlN，该高温AlN组成高温AlN层；
步骤三：然后将MOCVD设备内的温度降低至1070℃，气压升到300torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气和硅烷，其中硅烷的掺杂量为1018cm-3，此时高温AlN的表面会生长出一层厚度为300～500nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，该n型Al1-xGaxN组成含硅层；
步骤四：然后将MOCVD设备内的温度降低至1050℃，气压保持在300torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气和硅烷，其中硅烷的掺杂量为1025cm-3，此时含硅的表面会生长出一层厚度为500～800nm的n++型Al1-yGayN(x<y＜1)，该n++型Al1-yGayN(x<y＜1)组成重硅层；
步骤五：将MOCVD设备内的温度保持在1050℃，气压保持在300torr，然后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气和硅烷，其中硅烷的掺杂量约在1020cm-3，此时重硅层的表面会生长出一层厚度为100～200nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，该n型Al1-xGaxN(x＜1)组成掺硅层；
步骤六：随后将MOCVD设备内的温度升至1090℃，气压降低到250torr，然后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三乙基硼、三甲基镓、氨气和硅烷，此时掺硅层的表面会生长出n型超晶格BAlGaN/AlGaN，该n型超晶格BAlGaN/AlGaN组成超晶格层；
步骤七：将MOCVD设备内的温度保持在1090℃，气压保持在250torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三乙基硼、三甲基镓、氨气和硅烷，超晶格层的表面会生长出BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)/AlGaN，该BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)/AlGaN组成量子阱层；
步骤八：将MOCVD设备内的温度降低至1050℃，气压降低至200torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气、硅烷和二茂镁，此时量子阱层的表面会生长出厚度为20～50nm的p型AlGaN，该p型AlGaN组成含镁层；
步骤九：将MOCVD设备内的温度降低至在1030℃，气压保持在200torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气、硅烷和二茂镁，此时含镁层的表面会生长出厚度为10～20nm的p++型AlGaN，该p++型AlGaN组成重镁层；
步骤十：然后利用蒸镀技术在重镁层的表面蒸镀上DBR层，该DBR层延伸到外延层的上表面，然后在该DBR层上表面的最上方圆心处涂上光阻剂，然后利用掩膜对该DBR层进行光刻、显影和ICP蚀刻后可以在该DBR层的表面得到电极区和出光区，出光区位于光阻剂的下方，其余部位均为电极区，随后洗去光阻剂，然后对电极区进行氧气等离子清洗处理，随后再在电极区蒸镀金属层，然后通过去胶和金属剥离工艺可得到电极层；
步骤十一：利用CVD蒸镀技术在出光区的表面蒸镀一层SiO2，该SiO2组成防护层；
步骤十二：在基底的下表面上蜡并对其进行研磨，通过研磨使基底厚度变薄，直至其厚度降低为20～50um，然后再对基底的表面进行抛光；
步骤十三：然后利用蒸镀技术在抛光的基底的下表面蒸镀DBR层，随后再在该DBR层的下表面镀层Ag，该层Ag组成镀Ag层，此时该基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片生成完毕，最后将该芯片封装在导热性能良好的基板上即可。
优选的，所述电极区包括n型电极区和p型电极区，所述n型电极区位于上侧DBR层上侧的平面上，所述p型电极区位于DBR层上侧的弧面上。
优选的，所述n型电极区通过电子束或离子束蒸镀工艺蒸镀有三层金属层，三层所述金属层的材质分别是Ti、Pt和Au。
优选的，所述p型电极区在蒸镀金属层时，首先在p型电极区蒸镀一层Ti或Au，然后利用掩膜对p型电极区内侧的DBR层进行光刻、显影和ICP蚀刻，完毕后，p型电极区内侧DBR层的高度与p型电极区的蒸镀层高度相同，随后对蚀刻部位进行去胶和氧气等离子清洗处理，最后再在p型电极区的金属层上蒸镀一层Au。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明设计的芯片通过外延和芯片生长制作技术进行制造，能够得到波长在200～280nm的UVC波段紫外光VCSEL，突破和克服了200nm以上的UVC波段VCSEL芯片制作难题和发光效率难题；
2)通过组合特殊的外延层生长方法和结构设计，可以实现UVC光的激发，通过高禁带宽度材料组合生成DBR层可以更大程度实现紫外光的反射，通过三阶圆形出光孔设计，可以实现单模光的稳定输出，
3)通过特殊的掩膜、光刻、蚀刻、镀膜工艺，解决了UVC波段紫外光VCSEL的DBR层绝缘性所带来不易形成上下两面垂直电极的难点，实现了短波VCSEL在采用高禁带绝缘材料作为DBR层时，亦可以实现光的上下反射谐振和透射，可以实现200nm以上超短紫外光VCSEL的工业化生产和稳定的光电性能输出。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明主视图剖视结构示意图；
图3为本发明外延层主视图剖视结构示意图；
图4为本发明发光层主视图剖视结构示意图。
图中：1基底、2外延层、21低温AlN层、22高温AlN层、23高温AlN层、24重硅层、3发光层、31掺硅层、32超晶格层、33量子阱层、34含镁层、35重镁层、4DBR层、5防护层、6电极层、7镀Ag层。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片，包括基底1，基底1的上方设置有外延层2，外延层2的上方设置有发光层3，外延层2包括低温AlN层21，低温AlN层21的上方设置有高温AlN层22，高温AlN层22的上方设置有含硅层23，含硅层23是厚度为300～500nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，含硅层23的上方设置有重硅层24，重硅层24是厚度为500～800nm的n++型Al1-yGayN(x<y＜1)，发光层3包括掺硅层31，掺硅层31是厚度为100～200nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，掺硅层31的上方设置有超晶格层32，超晶格层32是厚度为40～300nm的n型BAlGaN/AlGaN超晶格，超晶格层32的上方设置有量子阱层33，量子阱层33的材质为BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)/AlGaN，量子阱层33的上方设置有含镁层34，含镁层34是厚度为20～50nm的p型AlGaN，含镁层34的上方设置有重镁层35，重镁层35是厚度为10～20nm的p++型AlGaN，基底1的下表面、外延层2的上表面及发光层3的外侧均设置有DBR层4，DBR层4的材质为高禁带宽度材料，发光层3上方的DBR层4上方设置有防护层5，外延层2的上表面及发光层3的外侧的DBR层4的本体上蚀刻有电极层6，基底1下侧的DBR层4的下方设置有镀Ag层7。
DBR层4包括薄镀层，DBR层4由30～50个薄镀层周期性排列组成，薄镀层的厚度为紫外光的波长与薄镀层材料折射率之比的1/4，该处紫外光指的是量子阱层33发出的紫外光，其波长为λ，薄镀层材料的折射率为n，则薄镀层的厚度为λ/4n，薄镀层是由HfO2和SiO2或者Al2O3和SiO2或者掺杂Y2O3的HfO2(YHfO)和SiO2这三种组合材料中的一种、两种或三种混合组成。
基底1的材质为蓝宝石、硅、GaN、AlN和SiC中的至少一种。
超晶格层32包括单体层，超晶格层32由10～30个单体层周期排列组成，单体层的厚度为4～10nm。
量子阱层33包括势阱层和势垒层，势阱层的材质为AlGaN，势垒层的材质为BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)，量子阱层33的量子阱阱数为1～2，量子阱层33的量子阱阱层为2～3nm，量子阱层33的量子阱垒层厚度为15～17nm。
一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片的制作方法，该基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片的制作方法如下：
步骤一：对基底1进行清洗干燥，同时将MOCVD设备升温至1200℃，然后将清洗完毕后将基底1放入MOCVD设备中烘烤20分钟，然后将MOCVD设备内的温度降低至500℃，气压降低到150torr，然后向MOCVD设备内通入三甲基铝和氨气，此时基底1的表面会生长出一层50～100nm的低温AlN，该低温AlN组成低温AlN层21；
步骤二：然后将MOCVD设备内的温度升至1100℃，气压升到200torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝和氨气，此时低温AlN层21的表面会生长出一层300±20nm的高温AlN，该高温AlN组成高温AlN层22；
步骤三：然后将MOCVD设备内的温度降低至1070℃，气压升到300torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气和硅烷，其中硅烷的掺杂量为1018cm-3，此时高温AlN层22的表面会生长出一层厚度为300～500nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，该n型Al1-xGaxN组成含硅层23；
步骤四：然后将MOCVD设备内的温度降低至1050℃，气压保持在300torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气和硅烷，其中硅烷的掺杂量为1025cm-3，此时含硅层23的表面会生长出一层厚度为500～800nm的n++型Al1-yGayN(x<y＜1)，该n++型Al1- yGayN(x<y＜1)组成重硅层24；
步骤五：将MOCVD设备内的温度保持在1050℃，气压保持在300torr，然后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气和硅烷，其中硅烷的掺杂量约在1020cm-3，此时重硅层24的表面会生长出一层厚度为100～200nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，该n型Al1-xGaxN(x＜1)组成掺硅层31；
步骤六：随后将MOCVD设备内的温度升至1090℃，气压降低到250torr，然后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三乙基硼、三甲基镓、氨气和硅烷，此时掺硅层31的表面会生长出n型超晶格BAlGaN/AlGaN，该n型超晶格BAlGaN/AlGaN组成超晶格层32；
步骤七：将MOCVD设备内的温度保持在1090℃，气压保持在250torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三乙基硼、三甲基镓、氨气和硅烷，超晶格层32的表面会生长出BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)/AlGaN，该BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)/AlGaN组成量子阱层33；
步骤八：将MOCVD设备内的温度降低至1050℃，气压降低至200torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气、硅烷和二茂镁，此时量子阱层33的表面会生长出厚度为20～50nm的p型AlGaN，该p型AlGaN组成含镁层34；
步骤九：将MOCVD设备内的温度降低至在1030℃，气压保持在200torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气、硅烷和二茂镁，此时含镁层34的表面会生长出厚度为10～20nm的p++型AlGaN，该p++型AlGaN组成重镁层35；
步骤十：然后利用蒸镀技术在重镁层35的表面蒸镀上DBR层4，该DBR层4延伸到外延层2的上表面，然后在该DBR层4上表面的最上方圆心处涂上光阻剂，然后利用掩膜对该DBR层4进行光刻、显影和ICP蚀刻后可以在该DBR层4的表面得到电极区和出光区，出光区位于光阻剂的下方，其余部位均为电极区，随后洗去光阻剂，然后对电极区进行氧气等离子清洗处理，随后再在电极区蒸镀金属层，然后通过去胶和金属剥离工艺可得到电极层6；
步骤十一：利用CVD蒸镀技术在出光区的表面蒸镀一层SiO2，该SiO2组成防护层5；
步骤十二：在基底1的下表面上蜡并对其进行研磨，通过研磨使基底1厚度变薄，直至其厚度降低为20～50um，然后再对基底1的表面进行抛光；
步骤十三：然后利用蒸镀技术在抛光的基底1的下表面蒸镀DBR层，随后再在该DBR层的下表面镀层Ag，该层Ag组成镀Ag层7，此时该基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片生成完毕，最后将该芯片封装在导热性能良好的基板上即可。
电极区包括n型电极区和p型电极区，n型电极区位于上侧DBR层4上侧的平面上，p型电极区位于DBR层4上侧的弧面上。
n型电极区通过电子束或离子束蒸镀工艺蒸镀有三层金属层，三层金属层的材质分别是Ti、Pt和Au。
p型电极区在蒸镀金属层时，首先在p型电极区蒸镀一层Ti或Au，然后利用掩膜对p型电极区内侧的DBR层4进行光刻、显影和ICP蚀刻，完毕后，p型电极区内侧DBR层4的高度与p型电极区的蒸镀层高度相同，随后对蚀刻部位进行去胶和氧气等离子清洗处理，最后再在p型电极区的金属层上蒸镀一层Au。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片，包括基底(1)，其特征在于：所述基底(1)的上方设置有外延层(2)，所述外延层(2)的上方设置有发光层(3)，所述外延层(2)包括低温AlN层(21)，所述低温AlN层(21)的上方设置有高温AlN层(22)，所述高温AlN层(22)的上方设置有含硅层(23)，所述含硅层(23)是厚度为300～500nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，所述含硅层(23)的上方设置有重硅层(24)，所述重硅层(24)是厚度为500～800nm的n++型Al1- yGayN(x<y＜1)，所述发光层(3)包括掺硅层(31)，所述掺硅层(31)是厚度为100～200nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，所述掺硅层(31)的上方设置有超晶格层(32)，所述超晶格层(32)是厚度为40～300nm的n型BAlGaN/AlGaN超晶格，所述超晶格层(32)的上方设置有量子阱层(33)，所述量子阱层(33)的材质为BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)/AlGaN，所述量子阱层(33)的上方设置有含镁层(34)，所述含镁层(34)是厚度为20～50nm的p型AlGaN，所述含镁层(34)的上方设置有重镁层(35)，所述重镁层(35)是厚度为10～20nm的p++型AlGaN，所述基底(1)的下表面、外延层(2)的上表面及发光层(3)的外侧均设置有DBR层(4)，所述DBR层(4)的材质为高禁带宽度材料，所述发光层(3)上方的DBR层(4)上方设置有防护层(5)，所述外延层(2)的上表面及发光层(3)的外侧的DBR层(4)的本体上蚀刻有电极层(6)，所述基底(1)下侧的DBR层(4)的下方设置有镀Ag层(7)。
2.根据权利要求1所述的一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片，其特征在于：所述DBR层(4)包括薄镀层，所述DBR层(4)由30～50个薄镀层周期性排列组成，所述薄镀层的厚度为紫外光的波长与薄镀层材料折射率之比的1/4，所述薄镀层是由HfO2和SiO2或者Al2O3和SiO2或者掺杂Y2O3的HfO2(YHfO)和SiO2这三种组合材料中的一种、两种或三种混合组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片，其特征在于：所述基底(1)的材质为蓝宝石、硅、GaN、AlN和SiC中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片，其特征在于：所述超晶格层(32)包括单体层，所述超晶格层(32)由10～30个单体层周期排列组成，所述单体层的厚度为4～10nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片，其特征在于：所述量子阱层(33)包括势阱层和势垒层，所述势阱层的材质为AlGaN，所述势垒层的材质为BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)，所述量子阱层(33)的量子阱阱数为1～2，所述量子阱层(33)的量子阱阱层为2～3nm，所述量子阱层(33)的量子阱垒层厚度为15～17nm。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片的制作方法，其特征在于：该基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片的制作方法如下：
步骤一：对基底(1)进行清洗干燥，同时将MOCVD设备升温至1200℃，然后将清洗完毕后将基底(1)放入MOCVD设备中烘烤20分钟，然后将MOCVD设备内的温度降低至500℃，气压降低到150torr，然后向MOCVD设备内通入三甲基铝和氨气，此时基底(1)的表面会生长出一层50～100nm的低温AlN，该低温AlN组成低温AlN层(21)；
步骤二：然后将MOCVD设备内的温度升至1100℃，气压升到200torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝和氨气，此时低温AlN层(21)的表面会生长出一层300±20nm的高温AlN，该高温AlN组成高温AlN层(22)；
步骤三：然后将MOCVD设备内的温度降低至1070℃，气压升到300torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气和硅烷，其中硅烷的掺杂量为1018cm-3，此时高温AlN层(22)的表面会生长出一层厚度为300～500nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，该n型Al1-xGaxN组成含硅层(23)；
步骤四：然后将MOCVD设备内的温度降低至1050℃，气压保持在300torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气和硅烷，其中硅烷的掺杂量为1025cm-3，此时含硅层(23)的表面会生长出一层厚度为500～800nm的n++型Al1-yGayN(x<y＜1)，该n++型Al1-yGayN(x<y＜1)组成重硅层(24)；
步骤五：将MOCVD设备内的温度保持在1050℃，气压保持在300torr，然后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气和硅烷，其中硅烷的掺杂量约在1020cm-3，此时重硅层(24)的表面会生长出一层厚度为100～200nm的n型Al1-xGaxN(x＜1)，该n型Al1-xGaxN(x＜1)组成掺硅层(31)；
步骤六：随后将MOCVD设备内的温度升至1090℃，气压降低到250torr，然后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三乙基硼、三甲基镓、氨气和硅烷，此时掺硅层(31)的表面会生长出n型超晶格BAlGaN/AlGaN，该n型超晶格BAlGaN/AlGaN组成超晶格层(32)；
步骤七：将MOCVD设备内的温度保持在1090℃，气压保持在250torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三乙基硼、三甲基镓、氨气和硅烷，超晶格层(32)的表面会生长出BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)/AlGaN，该BzAlwGa1-Z-WN(z＜＜w)/AlGaN组成量子阱层(33)；
步骤八：将MOCVD设备内的温度降低至1050℃，气压降低至200torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气、硅烷和二茂镁，此时量子阱层(33)的表面会生长出厚度为20～50nm的p型AlGaN，该p型AlGaN组成含镁层(34)；
步骤九：将MOCVD设备内的温度降低至在1030℃，气压保持在200torr，随后向MOCVD设备内通入三甲基铝、三甲基镓、氨气、硅烷和二茂镁，此时含镁层(34)的表面会生长出厚度为10～20nm的p++型AlGaN，该p++型AlGaN组成重镁层(35)；
步骤十：然后利用蒸镀技术在重镁层(35)的表面蒸镀上DBR层(4)，该DBR层(4)延伸到外延层(2)的上表面，然后在该DBR层(4)上表面的最上方圆心处涂上光阻剂，然后利用掩膜对该DBR层(4)进行光刻、显影和ICP蚀刻后可以在该DBR层(4)的表面得到电极区和出光区，出光区位于光阻剂的下方，其余部位均为电极区，随后洗去光阻剂，然后对电极区进行氧气等离子清洗处理，随后再在电极区蒸镀金属层，然后通过去胶和金属剥离工艺可得到电极层(6)；
步骤十一：利用CVD蒸镀技术在出光区的表面蒸镀一层SiO2，该SiO2组成防护层(5)；
步骤十二：在基底(1)的下表面上蜡并对其进行研磨，通过研磨使基底(1)厚度变薄，直至其厚度降低为20～50um，然后再对基底(1)的表面进行抛光；
步骤十三：然后利用蒸镀技术在抛光的基底(1)的下表面蒸镀DBR层，随后再在该DBR层的下表面镀层Ag，该层Ag组成镀Ag层(7)，此时该基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片生成完毕，最后将该芯片封装在导热性能良好的基板上即可。
7.根据权利要求6所述的一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片的制作方法，其特征在于：所述电极区包括n型电极区和p型电极区，所述n型电极区位于上侧DBR层(4)上侧的平面上，所述p型电极区位于DBR层(4)上侧的弧面上。
8.根据权利要求7所述的一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片的制作方法，其特征在于：所述n型电极区通过电子束或离子束蒸镀工艺蒸镀有三层金属层，三层所述金属层的材质分别是Ti、Pt和Au。
9.根据权利要求7所述的一种基于化合物半导体材料紫外VCSEL芯片的制作方法，其特征在于：所述p型电极区在蒸镀金属层时，首先在p型电极区蒸镀一层Ti或Au，然后利用掩膜对p型电极区内侧的DBR层(4)进行光刻、显影和ICP蚀刻，完毕后，p型电极区内侧DBR层(4)的高度与p型电极区的蒸镀层高度相同，随后对蚀刻部位进行去胶和氧气等离子清洗处理，最后再在p型电极区的金属层上蒸镀一层Au。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113668049A (zh) * 2021-08-20 2021-11-19 深圳市中科芯辰科技有限公司 一种垂直腔面发射激光器制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0896405A2 (en) * 1997-08-05 1999-02-10 Canon Kabushiki Kaisha Method for fabricating surface-emitting semiconductor device, surface-emitting semiconductor device fabricated by the method, and display device using the device
CN1812214A (zh) * 2005-01-24 2006-08-02 松下电器产业株式会社 氮化物半导体激光元件及其制造方法
WO2009003378A1 (fr) * 2007-07-02 2009-01-08 Beijing Yuji Science And Technology Co., Ltd. Substance luminescente en oxyde d'azote, procédé de production et application de celle-ci
CN104282808A (zh) * 2014-10-08 2015-01-14 西安神光皓瑞光电科技有限公司 一种紫外led外延有源区结构生长方法
CN106981548A (zh) * 2017-04-01 2017-07-25 中蕊（武汉）光电科技有限公司 一种深紫外led外延结构及其制备方法
CN209515722U (zh) * 2018-11-21 2019-10-18 江西兆驰半导体有限公司 一种高亮度的紫外发光二极管外延结构

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0896405A2 (en) * 1997-08-05 1999-02-10 Canon Kabushiki Kaisha Method for fabricating surface-emitting semiconductor device, surface-emitting semiconductor device fabricated by the method, and display device using the device
CN1812214A (zh) * 2005-01-24 2006-08-02 松下电器产业株式会社 氮化物半导体激光元件及其制造方法
WO2009003378A1 (fr) * 2007-07-02 2009-01-08 Beijing Yuji Science And Technology Co., Ltd. Substance luminescente en oxyde d'azote, procédé de production et application de celle-ci
CN104282808A (zh) * 2014-10-08 2015-01-14 西安神光皓瑞光电科技有限公司 一种紫外led外延有源区结构生长方法
CN106981548A (zh) * 2017-04-01 2017-07-25 中蕊（武汉）光电科技有限公司 一种深紫外led外延结构及其制备方法
CN209515722U (zh) * 2018-11-21 2019-10-18 江西兆驰半导体有限公司 一种高亮度的紫外发光二极管外延结构

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AlGaN量子结构及其紫外光源应用;李金钗;《人工晶体学报》;20201104;全文 *
Epitaxial growth of high quality BAlGaN quaternary lattice matched to AlN on 6H–SiC substrate by LP-MOVPE for deep-UV emission;TakayoshiTakano;《Journal of Crystal Growth》;20021231;全文 *
High-efficiency BAlGaN/AlN quantum well structures for optoelectronic applications in ultraviolet spectral region;Seoung-Hwan Park;《Optics Express》;20151231;全文 *
高AI组分Ⅲ族氮化物结构材料及其在深紫外LED应用的进展;陈航洋;《物理学进展》;20130420;全文 *

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