CN113708216A - 一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，涉及垂直腔面发射激光器技术领域。本发明的一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，所述方法在生长外延结构时，采用二次外延技术，具体的为，在衬底上生长完量子阱后，生长一层绝缘层，利用离子注入法定义出发光区域后，再进行二次外延生长得到外延结构。本发明的一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，利用二次外延生长得到外延结构，省去了传统工艺中复杂的氧化工艺，不仅缩短了芯片制造周期，且节约了大量物料，减少了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器技术领域，尤其涉及一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法。
背景技术
垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)，简称面射型激光。相对于LED(发光二极管)、LD(Laser Diode，激光二极管)、DFB激光器等其他光源，VCSEL光源有诸多优良的特性，包括：发光效率高、功耗极低，光束质量好，易于光纤耦合，可调变频率就达数Giga Hz，超窄的线宽，极高的光束质量，高偏振比，造价便宜等。
目前现有VCSEL芯片外延都是一次成型直接生长完P-DBR、氧化层、量子阱、N-DBR，然而为了限制电流和发光孔，主要有两种方法，一是氧化，二是离子注入使氧化层除发光孔外其它部分均被氧化成绝缘层。采用氧化工艺，操作时间长，工艺难度较高，且因为一次外延，氧化前需要做氮化硅覆盖在出光孔隔绝出光孔氧化，做mesa光刻刻蚀使P-DBR下的氧化层露出，氧化后再覆盖氮化硅层填充BCB使芯片表面回复平整，然后再进行后续的金属互联等一系列工艺。而离子注入工艺方法所固有的注入层浅的问题是行业内始终存在的一大难题，因此离子注入也需要多步光刻以及预先刻蚀出孔洞，才能到好的绝缘效果，而且欲获得较厚的改性层，等离子体基离子注入技术必须与其他镀膜技术如PVD、CVD方法相结合，即复合的注入与沉积技术才能达到所需要的效果，复杂度不亚于氧化工艺，可见现有的生产工艺，操作复杂、且生产周期较长，大大增加了VCSEL芯片的生产时间和成本。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于公开一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，利用二次外延生长得到外延结构，省去了传统工艺中复杂的氧化工艺，不仅缩短了芯片制造周期，且节约了大量物料，减少了生产成本。
具体的，本发明的一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，所述方法在生长外延结构时，采用二次外延技术，具体为，在衬底上生长完量子阱后，生长一层绝缘层，利用离子注入法定义出发光区域后，再进行二次外延生长得到外延结构。
进一步，所述绝缘层的材料为AlGaAs。
进一步，所述绝缘层的厚度为200埃。
进一步，所述所述制备方法具体为：
S1：提供GaAs衬底；
S2：在GaAs衬底上依次生长N-DBR结构和量子阱；
S3：在量子阱表面生长一层AlGaAs的绝缘层，光刻利用光刻胶覆盖发光孔的位置，光刻后利用离子注入法将发光孔以外的位置形成掺杂区域，定义出发光区域，然后去胶；
S4：进行二次外延生长，在绝缘层的表面生长P-DBR结构；
S5：在P-DBR结构表面生长覆盖一层SiNx层作为光学薄膜；
S6：在SiNx层上刻蚀出电极位置；
S7：在P面蒸镀P-cotact。
进一步，所述发光孔的直径为8-12μm。
进一步，在旋涂光刻胶时，转速为700-1200r/min，时间为15-50s，烘烤温度为70-100℃，时间为80-100s。
进一步，在旋涂光刻胶之前还旋涂了粘性增强剂，旋涂的转速为1100r/min，时间为20-30s，烘烤温度为100℃，时间为100s。
进一步，所述离子注入时控制真空度为102-10-5，离子注入的功率为700-1000W。
进一步，所述N-DBR结构包括35对材料为AlGaAs的DBR层，所述P-DBR结构包括28对材料为AlGaAs的DBR层。
进一步，所述P-cotact的材料为Ti、Pt、Au中的任意一种。
本发明的有益效果：
本发明公开了一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，将外延从传统的一次成型分为两次生长，第一次外延只生长到绝缘层，然后直接去做绝缘层工艺，保证了离子注入在表面层，做完之后再将芯片进行第二次外延，补全芯片结构，这样在后续步骤中优化了大量光刻刻蚀沉积清洗步骤，如：mesa、BCB、应力膜、光学膜、P-contact，缩短了芯片制造周期，且节约了大量的物料，减少了芯片成本。
附图说明
图1-图7是本发明一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法中各步骤对应的结构示意图；
其中，GaAs衬底1、N-DBR结构2、量子阱3、绝缘层4、光刻胶5、P-DBR结构6、SiNx层7、P-cotact 8。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明进行详细说明：
实施例
S1：提供GaAs衬底1。
S2：在GaAs衬底1上采用常规的方法重叠生长35对材料为AlGaAs的DBR层得到N-DBR结构2，在N-DBR结构2的表面生长得到量子阱3，如图1所示。
S3：在量子阱3表面生长一层AlGaAs的绝缘层4，在绝缘层4的表面，旋涂上光刻胶，以700-1200r/min的转速匀胶，时间为15-50s，然后在温度为70-100℃条件下烘烤80-100s，用光刻胶5覆盖发光孔的位置，厚度为10μm以上，本实施例选择以1000r/min的转速匀胶，时间为25s，然后在温度为850℃条件下烘烤90s，以常规方法进行光刻后利用离子注入法，按照现有的离子注入法的操作方式将发光孔以外的位置形成浅层掺杂区域，在离子注入过程中，通过控制真空度为102-10-5，离子注入的功率为700-1000W，以控制离子注入速率和注入后的晶格状态，掺杂厚度控制在200埃以内，杜绝离子注入影响到量子阱发光同时减小晶格排列影响从而保持表面平整，达到光电限制作用，中心形成光电通道，定义出发光区域，如图1-图3所示。
另外，绝缘层表面所旋涂的光刻胶，根据实际情况选择合适的现有的光刻胶即可，如果所选的光刻胶粘性不足时，可在上光刻胶之前先旋涂一层粘性增强剂，厚度控制在1μm以下，以1000r/min的转速旋涂，时间为20-30s，然后在温度为100℃条件下烘烤100s。
S4：进行二次外延生长，采用现有常规的方法在绝缘层的表面重叠生长35对材料为AlGaAs的DBR层，得到P-DBR结构6，如图4所示。
S5：在P-DBR结构6表面生长覆盖一层SiNx层7作为光学薄膜，如图5所示。
S6：在SiNx层7上刻蚀出电极位置，如图6所示。
S7：在P面蒸镀上Ti、Pt、Au中的任意一种形成P-cotact 8，如图7所示。
S8：研磨减薄然后在N面镀金形成N-contact，划片得到垂直共振腔面射型激光器产品。
对比例
本对比例采用现有的Vcsel芯片的制备方法，具体为：
S1：提供GaAs衬底；
S2：在GaAs衬底上依次重叠生长N-DBR结构、量子阱、氧化层、P-DBR结构；
S3：在晶圆上面做P-metal光刻，然后沉积通过电子束蒸镀沉积金属形成p-cotact，再送进金属剥离清洗机剥离多余的金属。
S4：将晶圆送进PECVD机台沉积氮化硅保护层。
S5：继续将晶圆送进黄光做台面光刻。
S6：台阶光刻刻蚀，对P-DBR结构进行刻蚀，露出氧化层，利用湿法氧化工艺对氧化层进行氧化，达到光电限制的作用，定义出发光区域，
S7：将晶圆再次送进PECVD沉积氮化硅，进行台阶光刻填充。
S8：再次将晶圆送进黄光，在黄光完成晶圆的平坦化，通过在晶圆上旋涂BCB，然后将BCB曝光显影使晶圆表面相对平整，最后烘烤坚膜完成BCB平坦化。
S9：再次光刻完成电极环上方通道VIA光刻后，将晶圆送到蚀刻间，蚀刻掉P-cotact金属上方氮化硅。
S10：磁控溅射将整个晶圆做上一层种子层Au金属。
S11：将晶圆送进光刻，继续做金属增厚光刻，在出光区域保留光刻胶，其余其余裸露。
S12：将晶圆电镀上Au增厚晶圆连接金属，然后采用有机去胶，然后湿法蚀刻掉出光区域的种子层金属。
S13：晶圆再次光刻，然后蚀刻，将晶圆表面每个芯粒蚀刻分开。
S14：研磨减薄，在N面镀金形成N-contact，划片得到垂直共振腔面射型激光器。
通过对比例和实施例的对比，可以明显看出，本发明的垂直共振腔面射型激光器的制备方法，在操作步骤上大大缩减，省去了现有制备方法中的P-DBR结构的刻蚀、沉积回填、清洗等等步骤，本发明的方法生产周期约为2-3天，对比例的生产周期约为4天，缩短了25％-50％，大大减少了生产周期，提高了生产效率，且由于省略了这些复杂的步骤，也会节约大量的物料，从而大大减少芯片成本。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (6)
1.一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，其特征在于，所述方法在生长外延结构时，采用二次外延技术，具体为，在衬底上生长完量子阱后，生长一层绝缘层，利用离子注入法定义出发光区域后，再进行二次外延生长得到外延结构。
2.根据权利要求1所述的一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，其特征在于，所述绝缘层的材料为AlGaAs。
3.根据权利要求2所述的一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度为200埃。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体为：
S1：提供GaAs衬底；
S2：在GaAs衬底上依次生长N-DBR结构和量子阱；
S3：在量子阱表面生长一层AlGaAs的绝缘层，光刻利用光刻胶覆盖发光孔的位置，光刻后利用离子注入法将发光孔以外的位置形成掺杂区域，定义出发光区域，然后去胶；
S4：进行二次外延生长，在绝缘层的表面生长P-DBR结构；
S5：在P-DBR结构表面生长覆盖一层SiNx层作为光学薄膜；
S6：在SiNx层上刻蚀出电极位置；
S7：在P面蒸镀P-cotact。
5.根据权利要求4所述的一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，其特征在于，所述N-DBR结构包括35对材料为AlGaAs的DBR层，所述P-DBR结构包括28对材料为AlGaAs的DBR层。
6.根据权利要求5所述的一种垂直共振腔面射型激光器的制备方法，其特征在于，所述P-cotact的材料为Ti、Pt、Au中的任意一种。
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