CN113904215A - 垂直腔面发射激光器湿法氧化方法及垂直腔面发射激光器 - Google Patents

垂直腔面发射激光器湿法氧化方法及垂直腔面发射激光器 Download PDF

Info

Publication number
CN113904215A
CN113904215A CN202111174429.9A CN202111174429A CN113904215A CN 113904215 A CN113904215 A CN 113904215A CN 202111174429 A CN202111174429 A CN 202111174429A CN 113904215 A CN113904215 A CN 113904215A
Authority
CN
China
Prior art keywords
oxidation
emitting laser
cavity surface
surface emitting
vertical cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111174429.9A
Other languages
English (en)
Inventor
李加伟
郭海侠
赖铭智
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suzhou Changrui Photoelectric Co ltd
Original Assignee
Suzhou Changrui Photoelectric Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suzhou Changrui Photoelectric Co ltd filed Critical Suzhou Changrui Photoelectric Co ltd
Priority to CN202111174429.9A priority Critical patent/CN113904215A/zh
Publication of CN113904215A publication Critical patent/CN113904215A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H01S5/18311—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement using selective oxidation

Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，用于在垂直腔面发射激光器制备过程中，对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；所述湿法氧化方法分为两个阶段：第一阶段的氧化气氛为H2、N2与H2O蒸汽混合；第二阶段的氧化气氛为H2、N2、O2与H2O蒸汽混合，其中O2与H2O蒸汽的体积比为1%～10%。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。相比现有技术，本发明可对湿法氧化速率进行更为精准的控制，有效减少氧化层及GaAs界面的分离或开裂现象，提高激光器的使用寿命及可靠性。

Description

垂直腔面发射激光器湿法氧化方法及垂直腔面发射激光器
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）制备工艺，尤其涉及一种湿法氧化方法，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
VCSEL在高密度集成及光纤耦合方面较边发射型激光器存在较大的优势，因此在光通讯等领域拥有极大的应用前景。但因其器件结构存在有源区薄，腔长短，单层增益较小等缺陷，为提高其有效光子限制能力，目前基本采用氧化DBR限制性型结构。氧化限制型结构可以减小材料中非辐射复合中心的寿命及对注入到有源区的电流形成有效的限制。
氧化限制型结构VCSEL的主要工艺步骤包括：晶片外延生长，在晶片外延生长过程中，在靠近谐振腔的下布拉格反射镜层和/或上布拉格反射镜层设置有Al组份很高的AlGaAs层作为氧化限制层， VCSEL芯片结构自下而上主要由N型掺杂的DBR反射镜，包含量子阱/量子点有源区的谐振腔，以及P型掺杂的DBR反射镜所构成；在外延生长形成的层结构中蚀刻出主动区平台，需要确保氧化限制层暴露于主动区平台的侧壁；对主动区平台的侧壁进行氧化处理，氧化时，沿着所述氧化限制层横向进行，被氧化的氧化限制层形成以氧化铝为主的氧化区域，氧化铝具有良好的绝缘性，可有效阻隔注入电流的通过，并限制注入电流的侧向扩散，同时氧化铝具有较小的折射率，能够使光场更为集中在电路注入窗口区域，提高了光场与有源区的交叠，增加光限制因子，起到减小器件阈值电流的作用，而中间未被氧化的区域则构成氧化孔，也就是VCSEL的出光孔和电流注入区；之后再进行表面钝化，平坦化工艺（即用聚酰亚胺，苯并环丁烯等聚合物填充沟槽），以及制作电极并引出等步骤。
上述工艺工程中，氧化孔的形成十分关键，其孔径、形状以及周边氧化区域的围观结构等均会对最终器件的性能、可靠性等产生影响。现有氧化限制型结构通常采用湿法氧化工艺对高铝组分（如Al0.98Ga0.02As）进行氧化，形成Al2O3、Ga2O3、 As等化合物，该反应过程较复杂，所以对影响氧化过程的因素，如：氧化温度，氧化气氛氧气残留量，H2/N2混合气与H2O蒸汽的比例等工艺条件要严格控制，使得氧化速率适中。氧化孔的湿法氧化过程是一个自加速氧化的过程，氧化速率随着氧化的进程不断加速。加速的氧化过程会产生如下问题：湿法氧化反应过程过快使得反应未达到稳定状态，化学反应产生的中间副产物（如As2O3、As）未能完全释放，氧化层与GaAs界面层处于介稳定状态，产生较大的氧化层应力，这种应力特别是氧化层尖端应力会导致氧化层及GaAs界面出现严重的分离或开裂现象，裂纹在后续热处理或者高温老化过程中不断加速生长，形成贯穿量子阱层的缺陷，严重影响激光器的使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有VCSEL湿法氧化技术所存在的易产生较大应力的不足，提供一种垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，可对湿法氧化速率进行更为精准的控制，有效减少氧化层及GaAs界面的分离或开裂现象。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，用于在垂直腔面发射激光器制备过程中，对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；所述湿法氧化方法分为两个阶段：第一阶段的氧化气氛为H2、N2与H2O蒸汽混合；第二阶段的氧化气氛为H2、N2、O2与H2O蒸汽混合，其中O2与H2O蒸汽的体积比为1%～10%。
优选地，当氧化至氧化孔径为目标孔径的1.5～2倍时，从第一阶段切换至第二阶段。
优选地，所述湿法氧化方法的工艺条件具体如下：第一阶段H2/N2混合气流量0.3～2 L/min，H2O蒸汽流量0.2～1 L/min，温度380～450 ℃，压力20～900 mBar；第二阶段H2/N2混合气流量0.3～2 L/min，H2O蒸汽流量0.2～1 L/min，O2流量0.02～0.1 L/min，温度380～450 ℃，压力20～900 mBar。
基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：
一种垂直腔面发射激光器，其制备过程中使用如上任一技术方案所述湿法氧化方法。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明通过在湿法氧化工艺的某一阶段引入一定量的O2，O2与活性H发生化学反应，消耗掉一定量的活性H，从而达到平稳湿法氧化工艺速率的目的，减弱或者消除过快湿法氧化反应产生的中间副产物（如As2O3，As）未能完全释放而产生的氧化层尖端应力集中问题。
附图说明
图1为具体实施例中的VCSEL剖面结构示意图；其中包含：1、GaAs衬底；2、金属电极；3、N型DBR；4、量子阱；5、P型DBR；6、氧化限制层；7、Cap层；8. Passivation膜层；
图2为氧化层应力致使量子阱层损伤的TEM照片。
具体实施方式
针对现有技术所存在问题，本发明的解决思路是在湿法氧化工艺的某一阶段引入一定量的O2，O2与活性H发生化学反应，消耗掉一定量的活性H，从而达到平稳湿法氧化工艺速率的目的，减弱或者消除过快湿法氧化反应产生的中间副产物（如As2O3，As）未能完全释放而产生的氧化层尖端应力集中问题。
本发明所提出的垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，用于在垂直腔面发射激光器制备过程中，对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；所述湿法氧化方法分为两个阶段：第一阶段的氧化气氛为H2、N2与H2O蒸汽混合；第二阶段的氧化气氛为H2、N2、O2与H2O蒸汽混合，其中O2与H2O蒸汽的体积比为1%～10%。
优选地，当氧化至氧化孔径为目标孔径的1.5～2倍时，从第一阶段切换至第二阶段。
优选地，所述湿法氧化方法的工艺条件具体如下：第一阶段H2/N2混合气流量0.3～2 L/min，H2O蒸汽流量0.2～1 L/min，温度380～450 ℃，压力20～900 mBar；第二阶段H2/N2混合气流量0.3～2 L/min，H2O蒸汽流量0.2～1 L/min，O2流量0.02～0.1 L/min，温度380～450 ℃，压力20～900 mBar。
为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：
本实施例中所要制备的VCSEL结构如图1所示，自下而上依次包含：GaAs衬底1、金属电极2、N型DBR3、量子阱4、 P型DBR层5、氧化限制层6、Cap层7、Passivation膜层8；其中氧化限制层6被包夹在上、下的P型DBR层5之间。在其制备过程中，先通过蚀刻工艺在外延生长成的层结构中形成主动区平台（即图1中被Passivation膜层8所包覆的部分）；然后对主动区平台进行侧壁氧化处理，以将氧化限制层6中外围的高铝组分材料氧化为主成分为氧化铝的氧化区域，并在氧化限制层6中间形成期望形状和大小的氧化孔。
现有技术所采用的湿法氧化气氛通常为H2、N2与H2O蒸汽混合，随着氧化工艺过程的进行，AlGaAs中的Al被H2O氧化形成AlOx，形成AlOx/GaAs界面层。氧化过程释放出活性H,活性H将AsOx还原成As单质，利于反应副产物通过AlOx中“疏松的通道”进入氧化设备腔室，促进了氧化化学反应的进行。然而，随着化学反应的进一步进行，所产生的大量活性H极大地加速了上述化学反应过程，化学反应产生的中间副产物（如As2O3，As）未能完全释放，会产生较大的氧化层应力。这种应力特别是氧化层尖端应力会导致氧化层及GaAs界面出现严重的分离或开裂现象，裂纹在后续热处理或者高温老化过程中不断加速生长，形成贯穿量子阱层的缺陷，严重影响激光器的使用寿命。图2的TEM照片即显示了氧化层应力所导致的量子阱层损伤。
针对上述问题，本发明将湿法氧化工艺分为两个阶段，第一个阶段采用现有H2、N2与H2O蒸汽混合的氧化气氛，当氧化进程进入进行至某一阶段，在氧化气氛中引入一定量的O2，O2与活性H发生化学反应，消耗掉一定量的活性H，从而使得湿法氧化过程速率恒定或者降低，利于化学反应产生的中间副产物（如As2O3，As）完全释放，氧化层与GaAs界面层处于稳定状态，极大地降低氧化层应力，解决了应力特别是氧化层尖端应力所导致的氧化层及GaAs界面出现严重的分离或开裂问题，提升了VCSEL激光器的使用寿命。
具体地，先采用ICP干法刻蚀工艺，刻蚀Mesa台阶结构，使得氧化限制层的高铝层暴露出来，刻蚀一般刻至量子阱层下层1-10对N-DBR；然后采用本发明的湿法氧化工艺进行两阶段的侧壁氧化，以形成氧化孔：
第一阶段、采用H2、N2与H2O蒸汽混合的氧化气氛进行湿法氧化，化学反应过程如下：
2AlGaAs + 3H2O(g) = Al2O3 + 2AsH3 + 2Ga
2AlGaAs + 4H2O(g) = 2AlO(OH) + 2AsH3 + 2Ga
2AsH3 = 2As(g) + 3H2
2AsH3 + 3H2O = As2O3(g) + 6H2 As2O3(l) + 3H2 = 2As(g) + 3H2O(g)
本实施例中第一阶段所采用的工艺条件具体为：H2/N2混合气流量0.3～2 L/min，H2O蒸汽流量0.2～1 L/min，温度380～450 ℃，压力20～900 mBar。
第二阶段、当第一阶段氧化至氧化孔径为目标孔径的1.5～2倍时，进入第二阶段，采用H2、N2、O2与H2O蒸汽混合的氧化气氛，其中O2与H2O蒸汽的体积比为1%～10%，这一阶段除包含第一阶段的化学反应过程之外，还包含以下化学反应：
4H + O2 = 2H2O(g)
本实施例中第二阶段所采用的工艺条件具体为：H2/N2混合气流量0.3～2 L/min，H2O蒸汽流量0.2～1 L/min，O2流量0.02～0.1 L/min，温度380～450 ℃，压力20～900mBar；持续以上氧化工艺条件直至氧化孔达到目标孔径。
经过两步氧化工艺后，特别是第二步湿法氧化工艺，氧化速率较第一步氧化速率持平或者降低，达到相对延长反应时间越长，利于As2O3或As单质等副产物释放越完全，解决氧化层尖端应力集中问题。
完成上述湿法氧化过程后，再在器件表面制作Passivation（钝化层），以防止氧化层裸露并防潮。

Claims (4)

1.一种垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，用于在垂直腔面发射激光器制备过程中，对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；其特征在于，所述湿法氧化方法分为两个阶段：第一阶段的氧化气氛为H2、N2与H2O蒸汽混合；第二阶段的氧化气氛为H2、N2、O2与H2O蒸汽混合，其中O2与H2O蒸汽的体积比为1%～10%。
2.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，其特征在于，当氧化至氧化孔径为目标孔径的1.5～2倍时，从第一阶段切换至第二阶段。
3.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器湿法氧化方法，其特征在于，所述湿法氧化方法的工艺条件具体如下：第一阶段H2/N2混合气流量0.3～2 L/min，H2O蒸汽流量0.2～1 L/min，温度380～450 ℃，压力20～900 mBar；第二阶段H2/N2混合气流量0.3～2 L/min，H2O蒸汽流量0.2～1 L/min，O2流量0.02～0.1 L/min，温度380～450 ℃，压力20～900 mBar。
4.一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，其制备过程中使用如权利要求1～3任一项所述湿法氧化方法。
CN202111174429.9A 2021-10-09 2021-10-09 垂直腔面发射激光器湿法氧化方法及垂直腔面发射激光器 Pending CN113904215A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111174429.9A CN113904215A (zh) 2021-10-09 2021-10-09 垂直腔面发射激光器湿法氧化方法及垂直腔面发射激光器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111174429.9A CN113904215A (zh) 2021-10-09 2021-10-09 垂直腔面发射激光器湿法氧化方法及垂直腔面发射激光器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113904215A true CN113904215A (zh) 2022-01-07

Family

ID=79190610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111174429.9A Pending CN113904215A (zh) 2021-10-09 2021-10-09 垂直腔面发射激光器湿法氧化方法及垂直腔面发射激光器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113904215A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114783870A (zh) * 2022-06-22 2022-07-22 度亘激光技术（苏州）有限公司 半导体结构的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002299318A (ja) * 2001-03-29 2002-10-11 Toshiba Corp 加工方法
CN1672249A (zh) * 2002-07-30 2005-09-21 因芬尼昂技术股份公司 氧化层的方法及基板的相关支持装置
CN101986488A (zh) * 2009-07-28 2011-03-16 佳能株式会社 表面发射激光器及其制造方法和图像形成装置
CN109461682A (zh) * 2018-10-31 2019-03-12 宁波润华全芯微电子设备有限公司 一种湿法氧化装置及其方法
CN110880675A (zh) * 2019-11-25 2020-03-13 江苏华兴激光科技有限公司 侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器及其制备方法
CN110994359A (zh) * 2019-12-13 2020-04-10 武汉光安伦光电技术有限公司 一种改善垂直腔面发射激光器氧化均匀性的湿法氧化工艺

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002299318A (ja) * 2001-03-29 2002-10-11 Toshiba Corp 加工方法
CN1672249A (zh) * 2002-07-30 2005-09-21 因芬尼昂技术股份公司 氧化层的方法及基板的相关支持装置
CN101986488A (zh) * 2009-07-28 2011-03-16 佳能株式会社 表面发射激光器及其制造方法和图像形成装置
CN109461682A (zh) * 2018-10-31 2019-03-12 宁波润华全芯微电子设备有限公司 一种湿法氧化装置及其方法
CN110880675A (zh) * 2019-11-25 2020-03-13 江苏华兴激光科技有限公司 侧面光栅氧化限制结构单纵模边发射激光器及其制备方法
CN110994359A (zh) * 2019-12-13 2020-04-10 武汉光安伦光电技术有限公司 一种改善垂直腔面发射激光器氧化均匀性的湿法氧化工艺

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114783870A (zh) * 2022-06-22 2022-07-22 度亘激光技术（苏州）有限公司 半导体结构的制备方法
CN114783870B (zh) * 2022-06-22 2022-09-20 度亘激光技术（苏州）有限公司 半导体结构的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109672087B (zh) 垂直腔面发射激光器及其制作方法
CN1323473C (zh) 表面发光型半导体激光器及其制造方法
US6714572B2 (en) Tapered air apertures for thermally robust vertical cavity laser structures
CN101685942A (zh) InAsP/InGaAsP量子阱为有源层的垂直腔面发射激光器及方法
CN113904215A (zh) 垂直腔面发射激光器湿法氧化方法及垂直腔面发射激光器
CN114649742A (zh) 一种新型高效垂直腔面eml芯片及其制备方法
CN110932093A (zh) 一种vcsel激光器制备方法
US20230146906A1 (en) Vertical cavity surface emitting laser element, method of producing vertical cavity surface emitting laser element, and photoelectric conversion apparatus
KR101997787B1 (ko) 수직공진표면발광레이저의 제조방법
CN102025108B (zh) 激光器二极管
CN113809637B (zh) 氧化孔生成方法及垂直腔面发射激光器
CN115528537A (zh) 一种GaAs基窄线宽红光激光芯片的制作方法
KR102253285B1 (ko) 반도체 레이저 다이오드 소자 및 그 제조 방법
US20040228380A1 (en) Plane emission type semiconductor laser device and method of manufacturing the same
CN101867156B (zh) 半导体层及其制造方法以及激光器二极管及其制造方法
CN111725702B (zh) 一种防止湿法氧化时过度氧化的垂直腔面发射激光器的制作方法
CN115051240A (zh) 一种氧化限制型垂直腔面发射激光器的制造方法
EP1109231A2 (en) Semiconductor light emitter and method for fabricating the same
CN113809635B (zh) 垂直腔面发射激光器制备方法及垂直腔面发射激光器
Krames et al. Deep‐oxide planar buried‐heterostructure AlGaAs–GaAs quantum well heterostructure laser diodes
CN113922209A (zh) 垂直腔面发射激光器制备方法及垂直腔面发射激光器
Qiu et al. Low threshold current single mode 894 nm VCSELs with SiO 2/Si 3 N 4 dielectric DBRs
CN108539577A (zh) 一种电流导引型vcsel及其制备方法
JP2001298242A (ja) 半導体発光素子及びその製造方法
CN117080864A (zh) 垂直腔面发射激光器制备方法及垂直腔面发射激光器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination