CN114759433A - 垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器，包括主动区平台，所述主动区平台包含分别位于其下部、顶部的氧化层、P型电极，所述氧化层包括氧化限制层和被所述氧化限制层包围的氧化孔；所述主动区平台内部设置有至少一条电性通道，所述电性通道从P型电极出发并向氧化限制层延伸。本发明还公开了所述垂直腔面发射激光器的制备方法。相比现有技术，本发明具有更大数据传输带宽和数据传输速率。

Description

垂直腔面发射激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器（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，目前基本采用氧化限制型结构。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层作为氧化层，VCSEL芯片结构自下而上主要由N型掺杂的DBR（distributed Braggreflection ，分布式布拉格反射镜），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，沿着所述氧化层横向进行，被氧化的氧化层部分（称其为氧化限制层）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。氧化限制型结构VCSEL的一种典型结构如图1所示，其由一系列半导体层结构组成，自下而上依次为GaAs衬底1、缓冲层2、N型DBR3、量子阱4、氧化层5、P型DBR、6、N 型电极7、P 型电极8、介质层9。
对于氧化限制型结构VCSEL而言，较大的驱动电流可以增大激光器数据传输带宽和数据传输速率的能力，但由于DBR层具有较高的电阻值，工作时的大电流通过DBR传输至量子阱有源层过程中的焦耳热效应显著，会产生大量焦耳热，导致激光器的温度快速升高，量子阱半导体材料的内量子效率随着激光器温度的升高快速降低，使得激光器的光输出功率降低，从而严重影响激光器的数据传输带宽和数据传输速率。同时P型电极和N型电极之间的DBR层本身具有较大的电容值，较大的寄生电容也会影响激光器数据传输带宽和数据传输速率的提升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有氧化限制型结构VCSEL的不足，提供一种具有更大数据传输带宽和数据传输速率的垂直腔面发射激光器。
本发明具体采用以下技术方案解决是上述技术问题：
一种垂直腔面发射激光器，包括主动区平台，所述主动区平台包含分别位于其下部、顶部的氧化层、P型电极，所述氧化层包括氧化限制层和被所述氧化限制层包围的氧化孔；所述主动区平台内部设置有至少一条电性通道，所述电性通道从P型电极出发并向氧化限制层延伸。
优选地，所述电性通道的末端与氧化限制层连接。
优选地，所述电性通道的内侧边缘与氧化限制层的内侧边缘在水平方向相距1 um～5um。
优选地，所述电性通道水平方向宽度为1 um ～5um。
优选地，所述电性通道由金属材料、或石墨材料、或石墨烯材料构成。
优选地，所述电性通道在水平方向上的投影呈中空闭合结构。
如上任一技术方案所述垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：
形成主动区平台并对其进行侧壁氧化以形成所述氧化层的步骤；
在主动区平台中形成容纳所述电性通道的空间的步骤；
在所述空间中填充导电材料以形成所述电性通道的步骤。
优选地，使用PVD镀膜的方法在所述空间中填充导电材料。
如上任一技术方案所述垂直腔面发射激光器的制备方法，包括：
形成主动区平台并对其进行侧壁氧化以形成所述氧化层的步骤；
在主动区平台中形成容纳所述电性通道的空间的步骤；
在所述空间中填充导电材料以形成所述电性通道的步骤。
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P型电极与氧化限制层之间设置电性通道，有效降低了激光器的整体电阻值，同时构成电性通道的导电材料可以更快地将量子阱产生的热量传导出激光器，从而有效提升了激光器的温度稳定性，达到有效解决激光器因电流“自加热”效应带来的热量不能有效散出致使激光器温度升高问题，激光器的数据传输带宽和频率得到了提升；此外，由于电性通道替换掉了部分P型DBR，有效地降低了P型DBR整体的电容值，激光器数据传输带宽和频率得到了进一步提升。
附图说明
图1为一种传统VCSEL的截面结构示意图；
图2为本发明VCSEL一个具体实施例的截面结构示意图；
图3为本发明VCSEL另一个具体实施例的截面结构示意图；
图中附图标记含义具体如下：
1、GaAs衬底；2、缓冲层；3、N型DBR；4、量子阱；5、氧化层；6、P型DBR；7、N型电极；8、P型电极；9、介质层；10、电性通道；11、主动区平台。
具体实施方式
针对现有氧化限制型结构VCSEL的不足，本发明的解决思路是在P型电极与氧化限制层之间设置由导电材料构成的电性通道，一方面降低了激光器的整体电阻值，同时构成电性通道的导电材料可以更快地将量子阱产生的热量传导出激光器，从而有效提升了激光器的温度稳定性，达到有效解决激光器因电流“自加热”效应带来的热量不能有效散出致使激光器温度升高问题，激光器的数据传输带宽和频率得到了提升；此外，由于电性通道替换掉了部分P型DBR，有效地降低了P型DBR整体的电容值，激光器数据传输带宽和频率得到了进一步提升。
具体而言，本发明所提出的垂直腔面发射激光器，包括主动区平台，所述主动区平台包含分别位于其下部、顶部的氧化层、P型电极，所述氧化层包括氧化限制层和被所述氧化限制层包围的氧化孔；所述主动区平台内部设置有至少一条电性通道，所述电性通道从P型电极出发并向氧化限制层延伸。
所述电性通道可以延伸至与氧化限制层连接，也可以不连接；优选地，所述电性通道的末端与氧化限制层连接。
所述电性通道的内侧边缘与氧化限制层的内侧边缘间距，以及电性通道的具体形状和尺寸均可根据VCSEL的具体结构和所要求的性能灵活设置；优选地，所述电性通道的内侧边缘与氧化限制层的内侧边缘在水平方向相距1 um ～5um；优选地，所述电性通道水平方向宽度为1 um ～5um。
原则上所述电性通道可以用现有各种导电材料构成，考虑到该电性通道除了降低DBR层电阻的同时还要起到将激光器内部热量快速传输出去的作用，因此最好选择兼具良好导电性和导热性的材料，优选地，所述电性通道由金属材料、或石墨材料、或石墨烯材料构成。
电性通道在水平方向上的投影既可以示非闭合的点状、直线状或曲线状，也可以是闭合结构；优选地，所述电性通道在水平方向上的投影呈中空闭合结构，亦即电性通道在水平方向上的投影环绕氧化孔。
其中，导电材料的填充可采用半导体制造工艺中常用的PVD、CVD、ALD等镀膜工艺；优选地，使用PVD镀膜的方法在所述空间中填充导电材料。
为了便于公众理解，下面通过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：
图2为本发明VCSEL一个具体实施例的截面结构示意图，如图2所示，其与图1所示传统VCSEL的基本结构相同，均包括GaAs衬底1、缓冲层2、N型DBR3、量子阱4、氧化层5、P型DBR6、N 型电极7、P 型电极8、介质层9，虚线框中的部分构成主动区平台11，其中氧化层5由外圈的氧化限制层和形成于氧化限制层中间的氧化孔构成；不同之处在于：主动区平台11的内部设置有一圈围绕氧化孔的电性通道10，由金属、石墨、或石墨烯等导电材料构成，其一端与P 型电极8连接，另一端与氧化层5中的氧化限制层连接，从而将P 型电极8与氧化限制层电性连通；本实施例中电性通道10水平方向的宽度为1 um ～5um，电性通道10的内侧边缘与氧化限制层的内侧边缘在水平方向相距1 um ～5um。
图2所示VCSEL可采用以下工艺制备得到：
步骤1、采用ICP干法刻蚀工艺，刻蚀出主动区平台结构，使得氧化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型DBR；
步骤2、采用湿法氧化工艺氧化，将步骤1的高铝层中的Al氧化，得到具有氧化限制层和氧化孔结构的主动区平台结构；
步骤3、对上述步骤2得到的外延片进行光刻，待刻蚀的电性通道区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；利用干刻工艺刻蚀主动区平台，刻蚀气体为Cl2/BCl3或Cl2/SiCl4，刻蚀至量子阱上层2-10对N型DBR，去除光刻胶，得到具有预设的槽/孔结构的外延片；
步骤4、对上述步骤3得到的槽/孔结构进行PVD镀膜，膜材料为Mo、Al等导电材料，将所述槽/孔结构填满；
步骤5、对上述完成步骤4的外延片进行光刻，使得覆盖于外延片表面的光刻胶仅在所述槽/孔结构上方保留，其余部分无光刻胶；采用干刻工艺，将其余部分所镀上的金属Al（BCl3+Cl2刻蚀）或者Mo（CF4等氟基气体刻蚀）刻蚀掉，去胶后得到内嵌的电性通道；
步骤6、对上述步骤5得到的外延片光刻，待沉积P型电极的区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；进行金属沉积，金属为Ge/Au/Ni/Au，金属总膜厚为0.5-1.5um；然后去除光刻胶，得到具有P型电极的外延片；
步骤7、对上述步骤6得到的外延片进行光刻，光刻胶覆盖主动区平台，其余部分无光刻胶，采用ICP干刻工艺，将未被光刻胶保护的区域全部刻蚀至缓冲层，刻蚀气体为Cl2/BCl3或者Cl2/SiCl4，然后去除光刻胶；
步骤8、对上述步骤7得到的外延片光刻，待沉积N型电极的区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；进行金属沉积，金属为Ti/Pt/Au，金属总膜厚为0.5-1.5um；然后去除光刻胶，得到具有N型电极的外延片；
步骤9、对上述步骤8得到的外延片进行裂片，得到图2所示VCSEL激光器。
图3显示了本发明的另一个实施例，其与第一个实施例不同，其主动区平台外部的层结构都被去除，因此没有图2中的介质层9，另外，本实施例中电性通道10的一端与P 型电极8连接，另一端向氧化层5中的氧化限制层方向延伸，但并未延伸至与氧化限制层连接。此种结构的电性通道10同样可以起到降低DBR层电阻以及将激光器内部热量快速传输出去的作用，从而有效提高激光器的数据传输带宽和频率。

Claims (8)

1.一种垂直腔面发射激光器，包括主动区平台，所述主动区平台包含分别位于其下部、顶部的氧化层、P型电极，所述氧化层包括氧化限制层和被所述氧化限制层包围的氧化孔；其特征在于，所述主动区平台内部设置有至少一条电性通道，所述电性通道从P型电极出发并向氧化限制层延伸。
2.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电性通道的末端与氧化限制层连接。
3.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电性通道的内侧边缘与氧化限制层的内侧边缘在水平方向相距1 um ～5um。
4.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电性通道水平方向宽度为1 um ～5um。
5.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电性通道由金属材料、或石墨材料、或石墨烯材料构成。
6.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述电性通道在水平方向上的投影呈中空闭合结构。
7.如权利要求1～5任一项所述垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，包括：
形成主动区平台并对其进行侧壁氧化以形成所述氧化层的步骤；
在主动区平台中形成容纳所述电性通道的空间的步骤；
在所述空间中填充导电材料以形成所述电性通道的步骤。
8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，使用PVD镀膜的方法在所述空间中填充导电材料。
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