CN115085006A - 一种两端带有组合反射镜的长波长vcsel及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL及其制备方法，涉及半导体光电子技术领域，该长波长VCSEL包括散热片以及通过衬底剥离技术剥离InP衬底后的外延层，外延层键合于散热片上方；外延层包括第一反射镜、第二N型掺杂DBR、掩埋隧穿结、有源区、第一N型掺杂DBR、InP第二缓冲层和第二反射镜；第一反射镜和第二反射镜均为光栅层或者介质层DBR。本发明衬底剥离技术的基础上采用组合反射镜的设计构思将传统VCSEL上下两端的单一DBR反射镜替换为组合反射镜，一方面降低了长波长VCSEL的光、电损耗，减小了串联电阻，提高了VCSEL的电光转换效率，另一方面提高了VCSEL的热传导能力和高温工作性能，并降低了器件的制作难度，符合各领域对长波长VCSEL的特性需求。

Description

一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，特别涉及一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL及其制备方法。
背景技术
随着数据通信时代快速发展，垂直腔面发射激光芯片（Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser， VCSEL）由于其优异的特性，例如芯片体积微小，输出圆形光斑，工作阈值低，耦合效率高，且方便集成等，被广泛运用于光通信领域，例如光互连，光传感，光存储，应用场景诸如数据中心短距通信，5G基站，HDMI超高清视频传输等等。VCSEL具有良好的经济性，实用性及可靠性，为各行各业中的信息交换带来了极大的便利。
现有VCSEL的结构通常采用“三明治”式设计，主要包括顶部反射镜、底部反射镜、导电限制区、有源区以及半导体衬底等，激光束沿着垂直于衬底方向出射，顶部反射镜和底部反射镜均为多层结构的半导体DBR，两者与有源区形成激光器的谐振腔，因此其反射率指标决定着激光器的激射波长及增益等性能。长波长VCSEL通常指激射波长在1200-1900nm之间的VCSEL，实现长波长的世界性技术难点在于该波段VCSEL是基于InP衬底，没有合适的折射率差异大并且晶格常数匹配的化合物半导体材料来设计VCSEL所必需的DBR反射镜，也没有类似于AlAs之于GaAs衬底系统的材料来形成氧化孔径以提高VCSEL的光学和电学性能。以基于InP衬底生长的长波长1550nm VCSEL为例，若要达到99%的反射率，则顶部的半导体DBR的厚度需达到8μm。但是半导体DBR的厚度越大，对光吸收损耗会越大，容易造成阈值电流高和插入损耗大的问题，还会使得芯片存在极大的串联电阻，芯片散热性差。而且半导体DBR的膜层数目多，对膜层厚度和组份要求较为严格，会导致器件的制作难度高，生产较为困难。
此外，目前市场上3英寸的InP衬底的价格为600美元，4英寸的InP衬底的价格为800-900美元，可见InP衬底的价格十分昂贵，这进一步限制了长波长VCSEL的发展与普及。
发明内容
本发明提供一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL及其制备方法，其主要目的在于解决现有技术存在的问题。
本发明采用如下技术方案：
一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL，包括散热片以及通过衬底剥离技术剥离InP衬底后的外延层，所述外延层固定装设于散热片上方，且外延层由下至上依次包括第一反射镜、第二N型掺杂DBR、掩埋隧穿结、有源区、第一N型掺杂DBR、InP第二缓冲层和第二反射镜；所述第一反射镜为光栅层或者介质层DBR；所述第二反射镜为光栅层或者介质层DBR。
进一步，所述第一反射镜和第二反射镜包括如下几种组合情况：其一，所述第一反射镜为光栅层，所述第二反射镜为介质层DBR；其二，所述第一反射镜为介质层DBR，所述第二反射镜为光栅层；其三，所述第一反射镜和第二反射镜均为光栅层；其四，所述第一反射镜和第二反射镜均为介质层DBR。
进一步，所述介质层DBR是由SiO2/Si3N4周期堆叠组成的反射镜，周期数为4-8，厚度为1800-3750nm。
进一步，所述光栅层的高折射率材料为SiO2或Si3N4，低折射率材料为空气或氧化物。
更进一步，所述光栅层的光栅周期550nm＜∧＜800nm，填充系数350nm＜η＜500nm，光栅深度350nm＜tg＜500nm。
进一步，所述第一N型掺杂DBR 和第二N型掺杂DBR 均是由InAlGaAs/InP或者InGaAsP/InP周期堆叠组成的反射镜；第一N型掺杂DBR和第二N型掺杂DBR的周期数均为5-20，厚度均为1000-5000nm。
进一步，所述散热片为硅片，厚度为300-700μm。
一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL的制备方法，包括如下步骤：
（1）在InP衬底上生长外延层，所述外延层包括InP第一缓冲层、超晶格牺牲层、InP第二缓冲层、第一N型掺杂DBR、有源区、隧穿结层和第二N型掺杂DBR；所述隧穿结层具有若干个相互间隔设置的掩埋隧穿结；
（2）在外延层表面制备若干个与各所述掩埋隧穿结相互对应的第一反射镜，第一反射镜为光栅层或者介质层DBR；
（3）将一片式的散热片键合于所述第一反射镜表面；
（4）使用HF溶液刻蚀超晶格牺牲层，从而将InP衬底从外延层底部剥离；
（5）倒置外延层，在InP第二缓冲层表面制备第二反射镜，并对外延层进行台面刻蚀和接触电极制作，从而形成单颗VCSEL芯片；第二反射镜为光栅层或者介质层DBR。
进一步，所述超晶格牺牲层为AlAs/InAlAs/AlAs/InAlAs/AlAs超晶格结构，并且AlAs的厚度为1.5-2.1nm，InAlAs的厚度为1nm。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于：
1、本发明巧妙地在衬底剥离技术的基础上采用组合反射镜的设计构思，利用介质层DBR/光栅层+第一N型掺杂DBR以及介质层DBR/光栅层+第二N型掺杂DBR的组合反射镜代替传统VCSEL中膜层数目多、厚度大的InP/InAlGaAs的单一DBR反射镜，一方面解决了长波长VCSEL没有合适的半导体DBR的世界性难题，有效降低长波长VCSEL的光、电损耗，减小串联电阻，提高了VCSEL的电光转换效率，另一方面大大提高VCSEL芯片的热传导能力和高温工作性能，并降低了器件的制作难度，符合激光雷达或数据通讯等领域对长波长VCSEL的特性需求。
2、本发明采用衬底剥离技术剥离长波长VCSEL所必需的InP衬底，并采用导热性能良好的硅片或者其它散热性良好的材料/衬底作为散热片来替代InP衬底，从而起到散热和物理支撑作用，被剥离的昂贵的InP衬底可以被多次重复利用，最大化降低了长波长VCSEL的生产成本。
附图说明
图1为本发明中单颗VCSEL的结构示意图。
图2为本发明中有源区的层状结构示意图。
图3为本发明中光栅层的结构示意图。
图4为本发明中衬底剥离前VCSEL的外延结构示意图。
图5为本发明中VCSEL的制备流程示意图一。
图6为本发明中VCSEL的制备流程示意图二。
图7为本发明中VCSEL的制备流程示意图三。
图8为本发明中用于激光雷达的1550nmVCSEL阵列芯片的示意图。
图中：
10、InP衬底 11、InP第一缓冲层
12、超晶格牺牲层； 13、InP第二缓冲层；
14、第一N型掺杂DBR； 15、有源区；
16、第二N型掺杂DBR 17、介质层DBR；
18、掩埋隧穿结 19、光栅层
110/111、接触电极
112、焊料； 113、散热片；
151、限制层； 152、波导层；
153、量子阱层； 154、对称波导层；
155、对称限制层。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。
如图1所示，本实施例提供一种用于两端带有组合反射镜的VCSEL，包括散热片113以及通过衬底剥离技术剥离InP衬底后的外延层，外延层固定装设于散热片113上方，且外延层由下至上依次包括第一反射镜、第二N型掺杂DBR16、掩埋隧穿结18、有源区15、第一N型掺杂DBR14、InP第二缓冲层13和第二反射镜。其中，第一反射镜和第二反射镜均可选用介质层DBR和光栅层两种中的任意一种。本实施例中第一反射镜优选为介质层DBR17，第二反射镜优选为光栅层19。介质层DBR17两侧填充有用于连接散热片的焊料112。第二N型掺杂DBR16上方设有接触电极111，InP第二缓冲层13上方也设有接触电极110。
如图1和图3所示，本实施例中VCSEL的外延结构参数如下：
散热片113的材料为导热性能良好的硅片或者其它散热性良好的材料或衬底，厚度为300-700μm。散热片113除了有利于芯片散热外，同时也起到了物理支撑作用，能够有效替代InP衬底。
介质层DBR17的材料为是由SiO2/Si3N4周期堆叠组成的反射镜，周期数为4-8，厚度为1800-3750nm。第一N型掺杂DBR14和第二N型掺杂DBR16均是由InAlGaAs/InP或者InGaAsP/InP周期堆叠组成的反射镜。本实施例中第一N型掺杂DBR14和第二N型掺杂DBR16可提供足够的物理支撑，并提供部分反射率，从而确保外延层的反射镜组合方式可靠稳定。第一N型掺杂DBR14和第二N型掺杂DBR16的周期数均为5-20，厚度均为1000-5000nm。传统1550nm VCSEL InP/InAlGaAs DBR反射镜反射率为99%时，半导体DBR厚度达8μm；采用第一N型半导体掺杂DBR(5-10 周期数)+介质层DBR反射单元达到相同的反射率，半导体DBR厚度只有1-2.5μm；采用第二N型半导体掺杂DBR (5-20 周期数)+ HCG反射单元达到相同的反射率，半导体DBR厚度只有1-5μm。可见，采用介质层DBR17+第一N型掺杂DBR14以及光栅层19+第二N型掺杂DBR16的组合反射镜能够有效降低DBR反射镜的厚度，从而有效解决现有技术存在的问题。
InP第二缓冲层13的厚度为500-1000nm，掺杂原子为Si，且掺杂浓度＞1018cm-3。由于本实施例所提供的VCSEL需要采用衬底剥离工艺制作而成，因此设置InP第二缓冲层13可起到保证晶体质量的作用。
掩埋隧穿结18由下至上包括P型重掺层和N型重掺层。P型重掺层材料可以为但不限于InGaAsP、InGaAlAs、AlInAs、InP， N型重掺层材料可以为但不限于GaInAs、InP、InGaAsP、InGaAlAs、AlInAs； P型重掺层厚度范围为8-50nm， N型重掺层厚度范围为10-50nm； P型重掺层掺杂原子可以为但不限于C、Mg、Zn、Be， N型重掺层掺杂原子可以为但不限于Te、Se、Si、S； P型重掺层与N型重掺层掺杂浓度为1019-1020cm-3数量级；掩埋隧穿结18孔径范围为4-50 µm。
光栅层19优选为高折射率对比度亚波长光栅，其为被低折射率介质包围的高折射率材料的亚波长条纹形成的光栅类型，其中高折射率材料为SiO2或Si3N4，低折射率材料可以为空气或氧化物，光栅周期550nm<∧<800nm，填充系数350nm<η<500nm，光栅深度350nm<tg<500nm。
各VCSEL的外延结构的相关设计参数参照表1。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
如图2所示，本实施例中有源区15由下至上为限制层151、波导层152、量子阱层153、对称波导层154、对称限制层155。量子阱层153的阱层/垒层为InxGa1-xAsyP1-y/ InxGa1- xAsyP1-y或者不同Ga/Al比例的AlInGaAs。
有源区的设计参数参照表2。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
本实施例采用衬底剥离技术制备上述两端带有组合反射镜的VCSEL，为了更清楚地阐述其制备方法，以下先对剥离前的VCSEL外延结构进行详细介绍：
如图4所示，剥离前VCSEL的外延结构由下至上包括InP衬底10、 InP第一缓冲层11、超晶格牺牲层12、InP第二缓冲层13、第一N型掺杂DBR14、有源区15、掩埋隧穿结18、第二N型掺杂DBR 16和介质层DBR 17。
InP衬底10的厚度为300-700μm，而InP衬底10以上的外延结构的厚度为6-20μm。通过衬底剥离工艺不仅能够实现 InP衬底10的循环利用，大大减少企业的制造成本，而且为制备两端带有组合反射镜的VCSEL提供了必要的技术支持。
超晶格牺牲层12为AlAs/InAlAs/AlAs/InAlAs/AlAs超晶格结构，其中AlAs的厚度为1.5-2.1nm，InAlAs的厚度为1nm。牺牲层成分的选择与厚度在ELO工艺中至关重要，较厚的膜层会导致蚀刻速度减慢，而太薄的层（通常小于5nm）则会导致蚀刻突然停止，有研究表明，牺牲层的合理厚度应控制在5-10nm范围内。现有技术中，基于InP衬底的ELO工艺通常使用AlAs作牺牲层，但是，AlAs材料与InP材料的晶格失配高达3.6%。在已实现的以AlAs为牺牲层的InP衬底剥离实验中，使用厚度超过5nm的AlAs会导致牺牲层松弛，引起晶体缺陷，从而影响器件性能。为了克服AlAs层的厚度限制，本实施例使用AlAs/InAlAs/AlAs/InAlAs/AlAs超晶格来代替AlAs做牺牲层，尽管AlAs和InP之间存在高度的晶格失配，但是AlAs/InAlAs/AlAs/InAlAs/AlAs超晶格结构可以被视为一个单一的层，呈现出构成超晶格的有效平均成分，且可沉积更厚的牺牲层，并保持良好的材料晶体质量。可见，采用AlAs/InAlAs/AlAs/InAlAs/AlAs超晶格结构可以在保证器件薄膜质量的同时，实现InP衬底的剥离与再利用，降低了企业的生产成本。
以下对介绍上述两端带有组合反射镜的VCSEL的制备方法，其包括如下步骤：
（1）在InP衬底10上生长外延层，外延层包括InP第一缓冲层11、超晶格牺牲层12、InP第二缓冲层13、第一N型掺杂DBR14、有源区15、隧穿结层和第二N型掺杂DBR16，隧穿结层具有若干个相互间隔设置的掩埋隧穿结18。具体地，首先采用MOCVD工艺在InP衬底10上依次沉积InP第一缓冲层11、超晶格牺牲层12、InP第二缓冲层13、第一N型掺杂DBR14、有源区15和隧穿结层；接着通过掩膜和刻蚀形成隧穿结的台面来定义VCSEL的孔径，然后通过二次外延来掩埋隧穿结，并生长第二N形掺杂DBR16，如图4和图5（a）所示。
（2）在外延层表面制备若干个与各掩埋隧穿结18相互对应的第一反射镜。第一反射镜优选为介质层DBR17，其制作方法为：采用PECVD工艺在第二N型掺杂DBR16表面沉积介质层DBR17，如图5（b）所示；采用光刻、化学溶液刻蚀法刻蚀介质层DBR17，使之与掩埋隧穿结18对齐，如图5（c）所示。
（3）将一片式的散热片113键合于介质层DBR17表面。具体地，在相邻两介质层DBR17的间隙中填充焊料，并将一片式的散热片113粘接于介质层DBR17上方，如图5（d）所示。在实际应用中，还可采用直接键合或者粘合剂粘结的方式将一片式的散热片装设于外延层上。
（4）使用HF溶液刻蚀超晶格牺牲层12，从而将InP衬底10从外延层底部剥离；具体地，HF溶液会对外延层进行选择性刻蚀，以使超晶格牺牲层从InP衬底10上分离，由此将整片外延层从InP衬底10上剥离出来，如图6（e）和（f）所示。
（5）倒置外延层，此时外延层的结构如图6（g）所示，在InP第二缓冲层13表面制作第二反射镜，并对外延层进行台面刻蚀和接触电极制作，从而形成单颗VCSEL芯片。本实施例中第二反射镜优选为光栅层，其制作方法为：首先采用PECVD工艺在InP第二缓冲层13表面沉积若干相互间隔设置的SiO2层或者Si3N4层，各SiO2层或者Si3N4层的间隙对应于相邻两掩埋隧穿结18之间的间隙，如图7（h）所示；然后对外延层进行台面刻蚀和接触电极制作，从而形成单颗VCSEL芯片，如图7（i）所示；最后通过光刻与化学溶液刻蚀或者局部氧化形成光栅层19，如图7（j）所示。对步骤（5）得到的单颗VCSEL芯片进行切割分离，便可得到如图1所示的单颗两端带有组合反射镜的VCSEL。
如图8所示，采用上述方法还可以制备应用于激光雷达的1550nmVCSEL阵列芯片。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此。凡是利用本发明的设计构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL，其特征在于：包括散热片以及通过衬底剥离技术剥离InP衬底后的外延层，所述外延层键合于散热片上方，且外延层由下至上依次包括第一反射镜、第二N型掺杂DBR、掩埋隧穿结、有源区、第一N型掺杂DBR、InP第二缓冲层和第二反射镜；所述第一反射镜为光栅层或者介质层DBR；所述第二反射镜为光栅层或者介质层DBR。
2.如权利要求1所述的一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL，其特征在于：所述介质层DBR是由SiO2/Si3N4周期堆叠组成的反射镜，周期数为4-8，厚度为1800-3750nm。
3.如权利要求1所述的一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL，其特征在于：所述光栅层的高折射率材料为SiO2或Si3N4，低折射率材料为空气或氧化物。
4.如权利要求3所述的一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL，其特征在于：所述光栅层的光栅周期550nm＜∧＜800nm，填充系数350nm＜η＜500nm，光栅深度350nm＜tg＜500nm。
5.如权利要求1所述的一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL，其特征在于：所述第一N型掺杂DBR 和第二N型掺杂DBR 均是由InAlGaAs/InP或者InGaAsP/InP周期堆叠组成的反射镜；第一N型掺杂DBR和第二N型掺杂DBR的周期数均为5-20，厚度均为1000-5000nm。
6.如权利要求1所述的一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL，其特征在于：所述散热片为硅片，厚度为300-700μm。
7.一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在InP衬底上生长外延层，所述外延层包括InP第一缓冲层、超晶格牺牲层、InP第二缓冲层、第一N形掺杂DBR、有源区、隧穿结层和第二N形掺杂DBR；所述隧穿结层具有若干个相互间隔设置的掩埋隧穿结；
（2）在外延层表面制备若干个与各所述掩埋隧穿结相互对应的第一反射镜，第一反射镜为光栅层或者介质层DBR；
（3）将一片式的散热片键合于所述第一反射镜表面；
（4）使用HF溶液刻蚀超晶格牺牲层，从而将InP衬底从外延层底部剥离；
（5）倒置外延层，在InP第二缓冲层表面制备第二反射镜，并对外延层进行台面刻蚀和接触电极制作，从而形成单颗VCSEL芯片；第二反射镜为光栅层或者介质层DBR。
8.如权利要求7所述的一种两端带有组合反射镜的长波长VCSEL的制备方法，其特征在于：所述超晶格牺牲层为AlAs/InAlAs/AlAs/InAlAs/AlAs超晶格结构，并且AlAs的厚度为1.5-2.1nm，InAlAs的厚度为1nm。
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