CN113708214A - 一种基于选区外延技术的双波长vcsel结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于选区外延技术的双波长VCSEL结构及其制备方法，该双波长VCSEL结构通过在GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层、N型布拉格反射镜层作为初始外延片；在所述初始外延片上采用选区外延技术依次外延量子阱、过渡P型布拉格反射镜层、P型GaAs光栅制备层，选区外延技术改变量子阱材料带隙波长，实现VCSEL双波长激射，针对不同带隙波长区域制备台面，台面制备完成后进行氧化工艺；并利用电子束曝光技术，分别针对两种不同带隙波长量子阱在P型GaAs光栅制备层上制备高对比度光栅(HCG)，形成高反射率反射镜代替传统的P型DBR结构，不但避免了选区外延多层DBR结构，降低了外延难度，而且可以针对不同激射波长灵活设计反射率，提高了工艺灵活性及可行性。

Description

一种基于选区外延技术的双波长VCSEL结构及其制备方法
技术领域
本发明属于多波长VCSEL器件制备技术领域，具体涉及一种基于选区外延技术的双波长VCSEL结构及其制备方法。
背景技术
随着半导体激光器技术的发展和涉及应用领域的增多，人们对于面发射激光器的性能提出了更多的要求。其中，为了满足双波长测量及密集波分复用技术等方面的需求，各大学、科研机构纷纷开始研究能够同时激射两个甚至多个波长的面发射激光器。同时，在电吸收调制激光器领域，为了实现激光器和调制器两个区域的不同波长量子阱，选区外延技术已有较成熟的应用。
选区外延生长技术最早于上世纪80年代就有报道，该技术的出现为单片集成技术开启了一扇新的窗口，将材料外延生长扩展到非平面生长领域，大大拓宽了单片集成的应用领域，也扩大了MOCVD系统的应用范围。选区外延生长是根据MO源分子不能在介质掩膜表面成核的特性，通过制作介质掩膜实现在不同区域生长不同禁带宽度材料的外延生长技术。反应物在介质掩膜表面不能成核就要横向扩散，引起介质掩膜图形之间区域聚集高浓度的反应物粒子，此区域的生长速率加快。根据量子力学原理，量子阱的带隙波长与阱的厚度成正比，因此达到获得不同禁带宽度的材料的目的。SAG技术具有一次外延生长有源层、工艺简单、各器件之间损耗小等优点，是一种比较成熟且已经实现商用的技术。随着微纳光学技术的日益进步，高对比度光栅也逐渐应用到各种半导体光电子器件中。亚波长高对比度光栅(HCG)具有低损耗、高的反射率、高谐振选择能力，使用HCG技术制备而成的光学元件正逐渐应用于光电子领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于选区外延技术的双波长VCSEL结构及其制备方法，该双波长VCSEL光源结构通过选区外延技术改变量子阱材料禁带宽度，实现VCSEL双波长激射，并利用电子束曝光技术，分别针对两种不同禁带宽度量子阱制备HCG，形成高反射率反射镜代替传统的P型DBR结构，不但避免了选区外延多层DBR结构，降低了外延难度，而且可以针对不同激射波长灵活设计反射率，提高了工艺灵活性及可行性。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种基于选区外延技术的双波长VCSEL制备方法，包括如下工艺步骤：
在衬底上生长N型布拉格反射镜层，形成第一外延片；
在所述第一外延片上采用选区外延技术外延量子阱，使第一外延片上不同区域同时生长出不同禁带宽度的量子阱，在量子阱上依次外延有过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，形成第二外延片；
台面刻蚀，包括：在第二外延片的选定区域从光栅制备层上表面向下刻蚀，刻蚀出两个台面，两个台面分别与不同禁带宽度的量子阱对应；
在各台面的光栅制备层上制备光栅，得到VCSEL结构；
在VCSEL结构上分别制备P型电极、N型电极；
电极制备完成后对整个器件进行快速退火，完成双波长VCSEL结构制备。
进一步地，在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长N型布拉格反射镜层，形成第一外延片；
在所述第一外延片上采用选区外延技术外延有量子阱，在量子阱上依次外延有过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，具体包括：在所述第一外延片上生长介质掩膜，再腐蚀出所需的SAG介质掩膜图形，将带有SAG介质掩膜图形的晶片进行选区外延生长，依次外延量子阱、过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，选区外延后去除SAG介质掩膜图形，然后针对不同的外延区域分别制备台面。
进一步地，过渡P型布拉格反射镜层中间插有高铝组分氧化层；台面刻蚀完成后进行氧化工艺，使各台面外侧部分高铝组分氧化层氧化后形成氧化铝材料；得到VCSEL结构后在VCSEL结构上蒸镀钝化层，刻蚀接触窗口后在各台面上制备P型电极；制备P型电极后对衬底减薄，然后在衬底底面制备N型电极。
进一步地，光栅制备层上制备的光栅为高对比度光栅，形成HCG反射镜结构；利用电子束曝光技术在光栅制备层上制备光栅；光栅制备层采用GaAs材料。
进一步地，台面刻蚀时，从光栅制备层上表面向下刻蚀，刻穿量子阱至N型布拉格反射镜层。
本发明公开了一种基于选区外延技术的双波长VCSEL结构，包括衬底，所述衬底的上表面上生长有N型布拉格反射镜层，形成第一外延片，所述第一外延片上通过选区外延技术外延有量子阱，使第一外延片上不同区域同时生长出不同禁带宽度的量子阱，所述量子阱上依次外延有过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，形成第二外延片，在第二外延片上针对不同禁带宽度的量子阱分别制备台面，各台面的光栅制备层上均制备有光栅，形成VCSEL结构，所述VCSEL结构上分别制备有P型电极和N型电极。
进一步地，在第二外延片上选定区域从光栅制备层上表面向下刻蚀，刻蚀出两个台面，两个台面分别与不同禁带宽度的量子阱对应；台面刻蚀时，要求刻穿量子阱至N型布拉格反射镜层。
进一步地，在VCSEL结构的上表面设有钝化层，在VCSEL结构的各台面上刻蚀接触窗口后制备P型电极；N型电极设置在衬底底面。
进一步地，光栅制备层上制备的光栅为高对比度光栅，形成HCG反射镜结构；光栅制备层采用GaAs材料。
进一步地，过渡P型布拉格反射镜层中间插有高铝组分氧化层，台面制备完成后进行氧化工艺，使各台面外侧部分高铝组分氧化层氧化后形成氧化铝材料。
本发明至少具有如下有益效果：
本发明提出一种基于选区外延技术的双波长VCSEL结构及其制备方法，该双波长VCSEL光源结构通过选区外延技术改变量子阱材料带隙波长，实现VCSEL双波长激射。利用电子束曝光技术，分别针对两种不同带隙波长量子阱制备HCG，形成高反射率反射镜代替传统的P型DBR结构，不但避免了选区外延多层DBR结构，降低了外延难度，而且可以针对不同激射波长灵活设计反射率，提高了工艺灵活性及可行性。本发明的双波长VCSEL光源结构具有结构简单、波长可调整，灵活度高等特点，为未来多波长VCSEL器件的设计及光集成芯片制备提供了新的思路。
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为本发明实施例中VCSEL第一外延片结构图；
图2为本发明实施例中选区外延后晶片结构图；
图3为本发明实施例中双波长VCSEL器件结构图；
图4为本发明实施例中光源结构制备流程图。
附图中，1为N型GaAs衬底及GaAs缓冲层，2为N型布拉格反射镜层，3为量子阱，4为过渡P型布拉格反射镜层，5为高铝组分氧化层，6为P型GaAs光栅制备层，7为氧化后形成的氧化铝材料，8为HCG反射镜结构，9为SixNy钝化层，10为P型电极，11为N型电极。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1至图4，本发明实施例提供一种基于选区外延技术的双波长VCSEL制备方法，包括如下工艺步骤：
在衬底上生长N型布拉格反射镜层，形成第一外延片；
在所述第一外延片上采用选区外延技术外延量子阱，使第一外延片上不同区域同时生长出不同禁带宽度的量子阱，在量子阱上依次外延有过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，形成第二外延片；
台面刻蚀，包括：在第二外延片的选定区域从光栅制备层上表面向下刻蚀，刻蚀出两个台面，两个台面分别与不同禁带宽度的量子阱对应；
在各台面的光栅制备层上制备光栅，得到VCSEL结构；
在VCSEL结构上分别制备P型电极、N型电极；
电极制备完成后对整个器件进行快速退火，完成双波长VCSEL结构制备。
进一步地，在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长N型布拉格反射镜层，形成第一外延片。
进一步地，在所述第一外延片上采用选区外延技术外延有量子阱，在量子阱上依次外延有过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，具体包括：在所述第一外延片上生长介质掩膜，再腐蚀出所需的SAG介质掩膜图形，将带有SAG介质掩膜图形的晶片进行选区外延生长，依次外延量子阱、过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，选区外延后去除SAG介质掩膜图形，然后针对不同的外延区域分别制备台面。
选区外延主要是针对量子阱起作用，因为选区效应不同区域量子阱的阱、垒厚度不同。优选地，过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层跟随量子阱一起外延生长，避免再次外延。
进一步地，过渡P型布拉格反射镜层中间插有高铝组分氧化层。
进一步地，台面刻蚀完成后进行氧化工艺，使各台面外侧部分高铝组分氧化层氧化后形成氧化铝材料。本实施例的氧化工艺采用传统的湿法氧化工艺。台面刻蚀完成后进行氧化的目的是形成折射率波导，进行光束缚以及电流束缚。
进一步地，得到VCSEL结构后在VCSEL结构上蒸镀钝化层，刻蚀接触窗口后在各台面上制备P型电极。钝化层在本发明中具有如下作用：1.保护芯片避免损伤，2.绝缘，3.充当增透膜。钝化层9采用SixNy材料。
进一步地，制备P型电极后对衬底减薄，然后在衬底底面制备N型电极。
进一步地，光栅制备层上制备的光栅为高对比度光栅，形成HCG反射镜结构；利用电子束曝光技术在光栅制备层上制备光栅；光栅制备层采用GaAs材料。本实施例的HCG反射镜采用亚波长光栅结构，光栅周期，反射率分布根据不同区域量子阱3PL谱峰值波长进行优化。
因为后续高反射率HCG光栅的制备，过渡P型布拉格反射镜层4只需要2～4对，实现宽波长区域的反射率抬高即可。
进一步地，台面刻蚀时，从光栅制备层上表面向下刻蚀，刻穿量子阱至N型布拉格反射镜层。
本发明实施例还公开了一种基于选区外延技术的双波长VCSEL结构，采用上述方法制备，包括衬底，所述衬底的上表面上生长有N型布拉格反射镜层，形成第一外延片，所述第一外延片上通过选区外延技术外延有量子阱，使第一外延片上不同区域同时生长出不同禁带宽度的量子阱，所述量子阱上依次外延有过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，形成第二外延片，在第二外延片上针对不同禁带宽度的量子阱分别制备台面，各台面的光栅制备层上均制备有光栅，形成VCSEL结构，所述VCSEL结构上分别制备有P型电极和N型电极。
进一步地，在第二外延片上选定区域从光栅制备层上表面向下刻蚀，刻蚀出两个台面，两个台面分别与不同禁带宽度的量子阱对应；台面刻蚀时，要求刻穿量子阱至N型布拉格反射镜层。
进一步地，在VCSEL结构的上表面设有钝化层，在VCSEL结构的各台面上刻蚀接触窗口后制备P型电极；N型电极设置在衬底底面；在衬底上生长缓冲层，缓冲层上生长N型布拉格反射镜层，形成第一外延片。
进一步地，光栅制备层上制备的光栅为高对比度光栅，形成HCG反射镜结构；光栅制备层采用GaAs材料。
进一步地，过渡P型布拉格反射镜层中间插有高铝组分氧化层，台面制备完成后进行氧化工艺，使各台面外侧部分高铝组分氧化层氧化后形成氧化铝材料。
本发明提供了一种基于选区外延技术的双波长VCSEL制备方法的具体实施例，包括如下工艺步骤：
1.在N型GaAs衬底上依次生长GaAs缓冲层、N型布拉格反射镜层2；其中，1为N型GaAs衬底及GaAs缓冲层。
2.在N型布拉格反射镜层2外延后的晶圆上用PECVD生长150nm的SiO2作为介质膜，再通过传统光刻工艺，光刻、腐蚀出SAG介质图形。SAG介质图形的具体布局与器件的整体设计，激射波长相关；
3.将带有SAG介质图形的晶片进行选区外延生长，依次外延量子阱3、过渡P型布拉格反射镜层4(包含高铝组分氧化层5)，P型GaAs光栅制备层6。因为后续高反射率HCG光栅的制备，过渡P型布拉格反射镜层4只需要2～4对，实现宽波长区域的反射率抬高即可。
4.选区外延后使用BOE去除SAG介质图形，然后针对不同带隙波长区域制备台面。台面刻蚀使用ICP设备，刻蚀气体为Cl2，BCL3。刻蚀深度约1um，要求刻穿量子阱3至N型布拉格反射镜层2。台面刻蚀完成后使用室温3：1：
20磷酸：双氧水：水漂洗基材10～15秒，以减少台面侧壁刻蚀损伤。台面制备完成后进行传统的湿法氧化工艺。
5.在所述步骤4得到的氧化后的基材的P型GaAs光栅层上利用电子束曝光技术制备HCG反射镜。HCG反射镜采用亚波长光栅结构，其中光栅周期、占空比、刻蚀深度、HCG反射镜反射率需要根据不同区域量子阱3PL谱峰值波长进行优化。
6.在步骤5中得到的VCSEL结构上蒸镀SixNy钝化层9，起到保护光栅和增透作用。刻蚀接触窗口后制备P型电极10，P型电极10材料为Ti/Pt/Au，厚度分别为60nm/80nm/250nm。
7.减薄衬底，制备N型电极11，电极材料为Ge/Ni/Au合金-Au，厚度分别为50nm/350nm。
8.电极制备完成后使用RTP对整个器件在氮气环境中进行快速退火，退火温度420℃。最终完成双波长VCSEL结构制备。
本发明提供一种双波长VCSEL光源结构及其制备方法，该双波长VCSEL光源结构通过选区外延技术改变量子阱3材料带隙波长，实现VCSEL双波长激射。利用电子束曝光技术，分别针对两种不同带隙波长量子阱3制备高对比度光栅(HCG)，形成高反射率反射镜代替传统的P型DBR结构。不但避免了选区外延多层DBR结构，降低了外延难度，而且可以针对不同激射波长灵活设计反射率，提高了工艺灵活性及可行性。
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)

1.一种基于选区外延技术的双波长VCSEL制备方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：
在衬底上生长N型布拉格反射镜层，形成第一外延片；
在所述第一外延片上采用选区外延技术外延量子阱，使第一外延片上不同区域同时生长出不同禁带宽度的量子阱，在量子阱上依次外延有过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，形成第二外延片；
台面刻蚀，包括：在第二外延片的选定区域从光栅制备层上表面向下刻蚀，刻蚀出两个台面，两个台面分别与不同禁带宽度的量子阱对应；
在各台面的光栅制备层上制备光栅，得到VCSEL结构；
在VCSEL结构上分别制备P型电极、N型电极；
电极制备完成后对整个器件进行快速退火，完成双波长VCSEL结构制备。
2.如权利要求1所述的双波长VCSEL制备方法，其特征在于：在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长N型布拉格反射镜层，形成第一外延片；
在所述第一外延片上采用选区外延技术外延有量子阱，在量子阱上依次外延有过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，具体包括：在所述第一外延片上生长介质掩膜，再腐蚀出所需的SAG介质掩膜图形，将带有SAG介质掩膜图形的晶片进行选区外延生长，依次外延量子阱、过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，选区外延后去除SAG介质掩膜图形，然后针对不同的外延区域分别制备台面。
3.如权利要求1所述的双波长VCSEL制备方法，其特征在于：过渡P型布拉格反射镜层中间插有高铝组分氧化层；台面刻蚀完成后进行氧化工艺，使各台面外侧部分高铝组分氧化层氧化后形成氧化铝材料；得到VCSEL结构后在VCSEL结构上蒸镀钝化层，刻蚀接触窗口后在各台面上制备P型电极；制备P型电极后对衬底减薄，然后在衬底底面制备N型电极。
4.如权利要求1所述的双波长VCSEL制备方法，其特征在于：光栅制备层上制备的光栅为高对比度光栅，形成HCG反射镜结构；利用电子束曝光技术在光栅制备层上制备光栅；光栅制备层采用GaAs材料。
5.如权利要求1所述的双波长VCSEL制备方法，其特征在于：台面刻蚀时，从光栅制备层上表面向下刻蚀，刻穿量子阱至N型布拉格反射镜层。
6.一种基于选区外延技术的双波长VCSEL结构，包括衬底，其特征在于：所述衬底的上表面上生长有N型布拉格反射镜层，形成第一外延片，所述第一外延片上通过选区外延技术外延有量子阱，使第一外延片上不同区域同时生长出不同禁带宽度的量子阱，所述量子阱上依次外延有过渡P型布拉格反射镜层、光栅制备层，形成第二外延片，在第二外延片上针对不同禁带宽度的量子阱分别制备台面，各台面的光栅制备层上均制备有光栅，形成VCSEL结构，所述VCSEL结构上分别制备有P型电极和N型电极。
7.如权利要求6所述的基于选区外延技术的双波长VCSEL结构，其特征在于：在第二外延片上选定区域从光栅制备层上表面向下刻蚀，刻蚀出两个台面，两个台面分别与不同禁带宽度的量子阱对应；台面刻蚀时，要求刻穿量子阱至N型布拉格反射镜层。
8.如权利要求6所述的基于选区外延技术的双波长VCSEL结构，其特征在于：在VCSEL结构的上表面设有钝化层，在VCSEL结构的各台面上刻蚀接触窗口后制备P型电极；N型电极设置在衬底底面。
9.如权利要求6所述的基于选区外延技术的双波长VCSEL结构，其特征在于：光栅制备层上制备的光栅为高对比度光栅，形成HCG反射镜结构；光栅制备层采用GaAs材料。
10.如权利要求6所述的基于选区外延技术的双波长VCSEL结构，其特征在于：过渡P型布拉格反射镜层中间插有高铝组分氧化层，台面制备完成后进行氧化工艺，使各台面外侧部分高铝组分氧化层氧化后形成氧化铝材料。
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