CN114188816B - 一种高折射率对比dbr的倒装vcsel结构及其工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构及其工艺方法，以欧姆金属取代了部分Al2O3，散热衬底、AlGaAs/欧姆金属所形成的高导热、低电阻导通路径，使得光学路径和电学路径分离。Al2O3/AlyGa1‑yAs DBR形成的堆叠结构可以减少DBR层对数，改变了以最高Al组分作为电流孔径限制层的做法，使得电学性能和光学性能得到显著提高，提高了转换效率及总输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及VCSEL技术领域，尤其涉及一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构及其工艺方法。
背景技术
现有主流的砷化镓基VCSEL的结构有以下特征：
1.电流局限由氧化工艺将AlGaAs转化成Al2O3，外围被氧化的形成电流局限层，没被氧化的形成电流通道。整体的电流通道较小，且AlGaAs本身就是比较难掺杂的半导体材料，相较于金属而言电阻较高。
2.AlGaAs被氧化之后所形成的Al2O3属于绝缘体，同时扮演着这电流局限及光学局限(破坏谐振腔)的功能。
3.即便倒装结构也仅限于芯片表面，未深及DBR内部。
发明内容
鉴于上述状况，有必要提出一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构及其工艺方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构，从上至下依次包括：第一DBR区、有源区、第二DBR区和散热衬底；其中，在所述第二DBR区内，高铝含量AlxGa1-xAs其中的x由有源区到表面逐渐递减，堆叠结构由Al2O3/AlyGa1-yAs组成并且其中的y由有源区到表面逐渐递增，所述堆叠结构上下两侧有Al2O3层，所述堆叠结构外填充有欧姆金属，在所述有源区的下方最临近所述有源区的至少一层中Al％组分AlzGa1-zAs形成电流孔径，且层间以AlyGa1-yAs作为间隔层，作为器件串联电阻及光型的调整手段，其中x>z>y。
进一步的，所述电流孔径的直径小于所述堆叠结构的直径。
进一步的，所述第一DBR区为p-DBR，所述p-DBR上设有p电极；所述第二DBR区为n-DBR，所述n-DBR连接有第二n电极。
进一步的，所述散热衬底包括金属衬底或高杂质掺杂Si衬底。
进一步的，所述散热衬底包括Mo、Si、Cu、CuW中的一种或多种。
本发明还提供一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构的工艺方法，包括以下步骤：
将第二DBR区的主要DBR AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x>y，0≤y<1)中高Al％组分AlxGa1-xAs的部分进行完全氧化，使其转变成Al2O3，在所需的光学路径上形成Al2O3/AlyGa1-yAs DBR堆叠结构，并以结构中最临近有源区的至少一层中Al％组分AlzGa1-zAs形成电流孔径，且层间以AlyGa1-yAs作为间隔层，并通过控制其氧化速率控制电流孔径的大小，其中Al％组分满足x>z>y；
将外围部分完全氧化所形成的Al2O3以化学刻蚀方式去除，保留光学路径的Al2O3/AlyGa1-yAs DBR堆叠结构；
去除外围部分的Al2O3所形成的空间以原子层沉积、溅镀、蒸镀及电镀中的一种或多种组合方式填充欧姆金属，以形成低电阻的电学导通路径。
进一步的，还包括：外延结构成长，从下至上依次形成GaAs衬底、第一DBR区、有源区、第二DBR区；平台刻蚀，即刻蚀第二DBR区形成一次刻蚀平台；第一电极制作，在一次刻蚀平台上形成第一电极。
进一步的，还包括散热衬底键合，即在第二DBR区远离有源区的一端键合散热衬底。
进一步的，所述散热衬底包括Mo、Si、Cu、CuW中的一种或多种。
进一步的，还包括GaAs衬底去除、第二电极制作、钝化保护/衬底切割、第二电极电镀连接。
本发明的有益效果在于：以欧姆金属取代了部分Al2O3，散热衬底、AlGaAs/欧姆金属所形成的高导热、低电阻导通路径，使得光学路径和电学路径分离。Al2O3/AlyGa1-yAs DBR形成的堆叠结构可以减少DBR层对数，改变了以最高Al组分作为电流孔径限制层的做法，使得电学性能和光学性能得到显著提高，提高了转换效率及总输出功率。
附图说明
图1是本发明实施例一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构的示意图；
图2是本发明实施例一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构的另一实施方式的示意图；
图3是本发明实施例一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构及其工艺方法的结构示意图。
标号说明：
100、第一DBR区；110、堆叠结构；120、欧姆金属；130、电流孔径；
140、Al2O3层；150、间隔层；200、有源区；300、第二DBR区；
400、散热衬底；500、第一电极；600、第二电极；700、钝化层；
800、GaAs衬底。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构及工艺方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1-图3，一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构，从上至下依次包括：第一DBR区100、有源区200、第二DBR区300和散热衬底400；其中，在所述第二DBR区300内，高铝含量AlxGa1-xAs其中的x由有源区200到表面逐渐递减，堆叠结构110由Al2O3/AlyGa1-yAs组成并且其中的y由有源区200到表面逐渐递增，所述堆叠结构110上下两侧有Al2O3层140，所述堆叠结构110外填充有欧姆金属120，在所述有源区200的下方最临近所述有源区200的至少一层中Al％组分AlzGa1-zAs形成电流孔径130，且层间以AlyGa1-yAs作为间隔层150，作为器件串联电阻及光型的调整手段，其中x>z>y。
以欧姆金属120取代了部分Al2O3，散热衬底400、AlGaAs/欧姆金属120所形成的高导热、低电阻导通路径，使得光学路径和电学路径分离。Al2O3/AlyGa1-yAs DBR形成的堆叠结构110可以减少DBR层对数，改变了以最高Al组分作为电流孔径130限制层的做法，使得电学性能和光学性能得到显著提高，转换效率高，功率高。
优选的，所述电流孔径130的直径小于所述堆叠结构110的直径。
请参照图1和图2，特别的，第一DBR区100为p-DBR，p-DBR上设有p电极；第二DBR区300为n-DBR，n-DBR连接有n电极。
进一步的，散热衬底400包括金属衬底或高杂质掺杂Si衬底。
进一步的，散热衬底400包括Mo、Si、Cu、CuW中的一种或多种。
请参照图3，本发明还提供一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构的工艺方法，包括以下步骤：
将第二DBR区300的主要DBR AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x>y，0≤y<1)中高Al％组分AlxGa1-xAs的部分进行完全氧化，使其转变成Al2O3，在所需的光学路径上形成Al2O3/AlyGa1- yAs DBR堆叠结构110，并以结构中最临近有源区200的至少一层中Al％组分AlzGa1-zAs形成电流孔径130，且层间以AlyGa1-yAs作为间隔层150，并通过控制其氧化速率控制电流孔径130的大小，其中Al％组分满足x>z>y；
将外围部分完全氧化所形成的Al2O3以化学刻蚀方式去除，保留光学路径的Al2O3/AlyGa1-yAs DBR堆叠结构110；
去除外围部分的Al2O3所形成的空间以原子层沉积、溅镀、蒸镀及电镀中的一种或多种组合方式填充欧姆金属120，以形成低电阻的电学导通路径。
请参照图3，还包括：外延结构成长，从下至上依次形成GaAs衬底800、第一DBR区100、有源区200、第二DBR区300；平台刻蚀，即刻蚀第二DBR区300形成一次刻蚀平台；第一电极500制作，在一次刻蚀平台上形成第一电极500。
请参照图3，还包括散热衬底键合，即在第二DBR区300远离有源区200的一端键合散热衬底400。
进一步的，散热衬底400包括Mo、Si、Cu、CuW中的一种或多种。
请参照图3，还包括GaAs衬底800去除、第二电极600制作、钝化保护/衬底切割、第二电极600电镀连接。
特别的，请参照图3，在第二电极600与散热衬底400之间，第一DBR区100、有源区200、第二DBR区300外还设有钝化层700。
可以理解的，整个工艺形成的是倒装VCSEL，具体的，请参照图3，首先进行外延结构成长，依次形成GaAs衬底800、第一DBR区100、有源区200、第二DBR区300；然后进行平台刻蚀/第一电极500制作；氧化法形成光窗，在第二DBR区300域内形成光窗，并且使高铝含量AlxGa1-xAs其中的x由有源区200到表面逐渐递减，将第二DBR区300的主要DBR AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs(x>y，0≤y<1)中高Al％组分AlxGa1-xAs的部分进行完全氧化，使其转变成Al2O3，在所需的光学路径上形成Al2O3/AlyGa1-yAs DBR堆叠结构110，并以结构中最临近有源区200的至少一层中Al％组分AlzGa1-zAs形成电流孔径130，且层间以AlyGa1-yAs作为间隔层150，并通过控制其氧化速率控制电流孔径130的大小，其中Al％组分满足x>z>y；二次平台刻蚀，形成二次刻蚀平面，并且通过刻蚀将第二DBR区300内的外围部分完全氧化所形成的Al2O3以去除；欧姆金属120填充，去除外围部分的Al2O3所形成的空间以原子层沉积、溅镀、蒸镀及电镀中的一种或多种组合方式填充欧姆金属120，以形成低电阻的电学导通路径；散热衬底400键合，在第二DBR区300上键合连接散热衬底400；GaAs衬底800去除，将外延结构倒置，去除外延成长形成的GaAs衬底800；第二电极600制作，在第一DBR区100上制作第二电极600；钝化保护/衬底切割，钝化保护即在散热衬底400上方的第一DBR区100、有源区200和第二DBR区300外形成钝化层700，衬底切割即根据需要切割散热衬底400；第二电极600电镀连接。
可以理解的，Al2O3即氧化铝泛指VCSEL结构中AlGaAs经氧化而得以Al2O3为主可而含有少量的的Ga2O3、GaAs或AlAs的混合物。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。在一般情况下，以烟嘴相对于底座的方向为上、或顶。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
综上所述，本发明提供的一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构及其工艺方法，以欧姆金属取代了部分Al2O3，散热衬底、AlGaAs/欧姆金属所形成的高导热、低电阻导通路径，使得光学路径和电学路径分离。Al2O3/AlyGa1-yAs DBR形成的堆叠结构可以减少DBR层对数，改变了以最高Al组分作为电流孔径限制层的做法，使得电学性能和光学性能得到显著提高，提高了转换效率及总输出功率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构，其特征在于，从上至下依次包括：
第一DBR区、有源区、第二DBR区和散热衬底；其中，在所述第二DBR区内，堆叠结构由Al2O3/AlyGa1-yAs组成并且其中的y由有源区到表面逐渐递增，所述堆叠结构上下两侧有Al2O3层，所述堆叠结构外填充有欧姆金属，在所述有源区的下方最临近所述有源区的至少一层中Al%组分AlzGa1-zAs形成电流孔径，且层间以AlyGa1-yAs作为间隔层，作为器件串联电阻及光型的调整手段，其中z>y。
2.根据权利要求1所述的一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构，其特征在于，所述电流孔径的直径小于所述堆叠结构的直径。
3.根据权利要求1所述的一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构，其特征在于，所述第一DBR区为p-DBR，所述p-DBR上设有p电极；所述第二DBR区为n-DBR，所述n-DBR连接n电极。
4.根据权利要求1所述的一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构，其特征在于，所述散热衬底包括金属衬底或高杂质掺杂Si衬底。
5.根据权利要求1所述的一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构，其特征在于，所述散热衬底包括Mo、Si、Cu、CuW中的一种或多种。
6.一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
将第二DBR区的主要DBR AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs ( x>y，0≤y<1) 中高Al%组分AlxGa1-xAs的部分进行完全氧化，使其转变成Al2O3，在所需的光学路径上形成Al2O3/AlyGa1-yAs DBR堆叠结构，并以结构中最临近有源区的至少一层中Al%组分AlzGa1-zAs形成电流孔径，且层间以AlyGa1-yAs作为间隔层，并通过控制其氧化速率控制电流孔径的大小，其中Al%组分满足x>z>y；
将外围部分完全氧化所形成的Al2O3以化学刻蚀方式去除，保留光学路径的Al2O3/AlyGa1-yAs DBR堆叠结构；
去除外围部分的Al2O3所形成的空间以原子层沉积、溅镀、蒸镀及电镀中的一种或多种组合方式填充欧姆金属，以形成低电阻的电学导通路径。
7.根据权利要求6所述的一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构的工艺方法，其特征在于，还包括：外延结构成长，从下至上依次形成GaAs衬底、第一DBR区、有源区、第二DBR区;平台刻蚀，即刻蚀第二DBR区形成一次刻蚀平台；第一电极制作，在一次刻蚀平台上形成第一电极。
8.根据权利要求6所述的一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构的工艺方法，其特征在于，还包括散热衬底键合，即在第二DBR区远离有源区的一端键合散热衬底。
9.根据权利要求8所述的一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构的工艺方法，其特征在于，所述散热衬底包括Mo、Si、Cu、CuW中的一种或多种。
10.根据权利要求6所述的一种高折射率对比DBR的倒装VCSEL结构的工艺方法，其特征在于，还包括GaAs衬底去除、第二电极制作、钝化保护/衬底切割、第二电极电镀连接。
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