CN115133401A - 倒装vcsel芯片结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种倒装VCSEL芯片结构及其制作方法，结构包括衬底、第一布拉格反射镜层、量子阱层、第二布拉格反射镜层以及介质膜层。衬底具有相对设置的第一表面和第二表面，第一表面上形成有聚焦功能的微透镜结构；第一布拉格反射镜层设置于衬底的第二表面上；量子阱层设置于第一布拉格反射镜层背离衬底的一侧；第二布拉格反射镜层设置于量子阱层背离第一布拉格反射镜层的一侧；介质膜层覆盖第二布拉格反射镜层、量子阱层和第一布拉格反射镜层的侧壁以及延伸至衬底的第二表面，且介质膜层部分覆盖第二布拉格反射镜层背离量子阱层一侧的表面。本发明的倒装VCSEL芯片结构，其自带具有聚焦功能的微透镜结构，简化了VCSEL芯片的封装工艺。

Description

倒装VCSEL芯片结构及其制作方法
技术领域
本发明是关于半导体激光芯片技术领域，特别是关于一种倒装VCSEL芯片结构及其制作方法。
背景技术
VCSEL，全名为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface EmittingLaser)，以砷化镓半导体材料为基础研制，有别于LED(发光二极管)和LD(Laser Diode，激光二极管)等其他光源，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点，广泛应用于光通信、光互连、光存储等领域。
目前，在VCSEL芯片的封装过程中，为提高光的耦合效率，在芯片出光端和光纤之间通常会加一个透镜，使从VCSEL芯片发出的光聚焦后再耦合到光纤里。这一过程增加了VCSEL芯片的封装步骤，使得VCSEL芯片的封装工艺复杂化。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种倒装VCSEL芯片结构及其制作方法，其自带微透镜结构，简化了VCSEL芯片的封装工艺，改善VCSEL芯片的散热效果。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种倒装VCSEL芯片结构，包括衬底、第一布拉格反射镜层、量子阱层、第二布拉格反射镜层以及介质膜层。
衬底具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面上形成有微透镜结构；第一布拉格反射镜层设置于所述衬底的第二表面上，且部分覆盖所述第二表面；量子阱层设置于所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的一侧；第二布拉格反射镜层设置于所述量子阱层背离所述第一布拉格反射镜层的一侧；介质膜层覆盖所述第二布拉格反射镜层、所述量子阱层和所述第一布拉格反射镜层的侧壁以及延伸至所述衬底的第二表面，且所述介质膜层部分覆盖所述第二布拉格反射镜层背离所述量子阱层一侧的表面。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的一侧表面上设置有高铝氧化层，所述高铝氧化层上贯穿形成有与所述微透镜结构相对应的窗口区。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述倒装VCSEL芯片结构还包括第一电极和第二电极。
第一电极设置于所述第二布拉格反射镜层背离所述量子阱层的表面上，且覆盖暴露出的所述第二布拉格反射镜层的表面；第二电极设置于所述衬底的第二表面上且自所述衬底的第二表面延伸至所述介质膜层背离所述第二布拉格反射镜层的表面，所述第二电极与所述第一电极之间电隔离，且所述第二电极与所述第一电极位于同一平面上。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二布拉格反射镜层的对数大于所述第一布拉格反射镜层的对数。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述微透镜结构与所述衬底一体成型。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述微透镜结构为相对所述衬底的第一表面呈凸起设置的半球形结构。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述微透镜结构的表面蒸镀有AR增透膜。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述衬底的材料为GaAs，所述微透镜结构的材料为GaAs。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一布拉格反射镜层为N-DBR，所述第二布拉格反射镜层为P-DBR，所述第一电极为P极金属电极，所述第二电极为N极金属电极。
本发明还提供了一种倒装VCSEL芯片的制作方法，包括：
提供衬底，所述衬底具有相对设置的第一表面和第二表面；
在所述衬底的第二表面形成第一布拉格反射镜层；
在所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的表面形成高铝氧化层，所述高铝氧化层上具有可供电流流通的窗口区；
在所述高铝氧化层背离所述第一布拉格反射镜层的一侧形成量子阱层；
在所述量子阱层背离所述高铝氧化层的一侧形成有第二布拉格反射镜层；
形成介质膜层，所述介质膜层覆盖所述第二布拉格反射镜层、所述量子阱层和所述第一布拉格反射镜层的侧壁以及延伸至所述衬底的第二表面，且所述介质膜层部分覆盖所述第二布拉格反射镜层背离所述量子阱层一侧的表面；
形成第一电极和第二电极，所述第一电极位于所述第二布拉格反射镜层背离所述量子阱层的表面上，且覆盖暴露出的所述第二布拉格反射镜层的表面，所述第二电极位于所述衬底的第二表面上且自所述衬底的第二表面延伸至所述介质膜层背离所述第二布拉格反射镜层的表面，第二电极与所述第一电极之间电隔离，且所述第二电极与所述第一电极位于同一平面上；
对所述衬底进行减薄，并在所述衬底的第一表面形成与所述高铝氧化层上的窗口区所对应的微透镜结构，在所述微透镜结构的表面蒸镀AR增透膜。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述的在所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的表面形成有高铝氧化层，所述高铝氧化层上具有可供电流流通的窗口区，包括：
在所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的表面形成高铝ALGaAs层，将所述高铝ALGaAs层与所述微透镜结构相对应位置处保持不变以形成所述窗口区，其余部分的所述高铝氧化层通过湿氧氧化形成所述高铝氧化层。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述微透镜结构与所述高铝氧化层的窗口区相对应。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第二布拉格反射镜层的对数大于所述第一布拉格反射镜层的对数。
在本发明的一个或多个实施方式中，通过研磨、抛光工艺对所述衬底进行减薄；采用光刻和ICP刻蚀工艺制作微透镜结构。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述衬底的材料为GaAs，所述微透镜结构的材料为GaAs。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述第一布拉格反射镜层为N-DBR，所述第二布拉格反射镜层为P-DBR，所述第一电极为P极金属电极，所述第二电极为N极金属电极。
与现有技术相比，本发明实施方式的倒装VCSEL芯片结构，其衬底表面一体形成有微透镜结构，对光进行聚焦，提高芯片和外接光纤之间的耦合效率，在封装时不再需要安装其它透镜，大大简化了封装工艺。
本发明实施方式的倒装VCSEL芯片结构，光从衬底一侧发出，在将其进行封装时，该倒装VCSEL芯片的P面(远离衬底的一侧)接触封装载体，和传统芯片相比，量子阱层有源区距离封装载体要近很多，有助于芯片散热，从而提高芯片的散热效果，提升芯片的热性能。
附图说明
图1是本发明一实施方式的倒装VCSEL芯片结构的示意图；
图2是本发明一实施方式的倒装VCSEL芯片的制作工艺流程图；
图3a～3j是本发明一实施方式的倒装VCSEL芯片制作过程的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，本发明的实施方式提供了一种倒装VCSEL芯片结构，包括衬底10、第一布拉格反射镜层20、高铝氧化层30、量子阱层40、第二布拉格反射镜层50、介质膜层60以及第一电极70和第二电极80。
衬底10包括相对设置的第一表面11和第二表面12，第一表面11上一体成型有具有聚焦功能的微透镜结构111，微透镜结构111为相对第一表面11凸起设置的半球形结构，微透镜结构111的表面蒸镀有AR增透膜13，通过减少反射光来增加光在微透镜结构111表面的透过率。在本实施例中，衬底10的材料为GaAs，微透镜结构的材料同样为GaAs。
第一布拉格反射镜层20设置于衬底10的第二表面12上，第一布拉格反射镜层20覆盖衬底10的第二表面12。第一布拉格反射镜层20作为N-DBR，是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。第一布拉格反射镜层20用于选择VCSEL芯片的激射波长。
高铝氧化层30设置于第一布拉格反射镜层20背离衬底10的一侧表面上。高铝氧化层30上贯穿形成有与微透镜结构111相对应的窗口区31，光子通过窗口区31，穿设第一布拉格反射镜层20后，被衬底10上的微透镜结构111聚焦后射出。高铝氧化层30的目的在于通过湿氧氧化工艺后把电流限制在一定的区域范围内。
量子阱层40设置于高铝氧化层30背离第一布拉格反射镜层20的一侧，量子阱层40用于产生激光器所需要的增益(即不同波长的光子)。
第二布拉格反射镜层50设置于量子阱层40背离高铝氧化层30的一侧，第二布拉格反射镜层50作为P-DBR，同样是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。第二布拉格反射镜层50的作用和第一布拉格反射镜20的作用一样，用于选择VCSEL芯片的激射波长。在本实施例中，第二布拉格反射镜层50中两种不同折射率的材料的对数大于第一布拉格反射镜层50中两种不同折射率的材料的对数。上述技术方案中，设计第二布拉格反射镜层50的对数足够多，使得99.9％的光子在经过第二布拉格反射镜层50时被反射回来；设计第一布拉格反射镜层20的对数相对少一些，使部分光子在通过第一布拉格反射镜层20时离开芯片，即芯片通过第一布拉格反射镜层20产生光输出。即本实施例中的VCSEL芯片的光从N面(N-DBR)发出，是一种倒装的VCSEL芯片。
介质膜层60覆盖第二布拉格反射镜层50、量子阱层40、高铝氧化层30和第一布拉格反射镜层20的侧壁以及延伸至衬底10的第二表面12，且介质膜层60部分覆盖第二布拉格反射镜层50背离量子阱层40一侧的表面。
第一电极70为P极金属电极，其设置于第二布拉格反射镜层50背离量子阱层40的表面上，且覆盖暴露出的第二布拉格反射镜层50的表面。第一电极70的金属材料在本发明实施例中并不作限定。
第二电极80为N极金属电极，第二电极80设置于介质膜层60背离第二布拉格反射镜层50的表面上沿介质膜层60延伸至衬底10的第二表面22上，并部分覆盖第二表面22，第二电极80与第一电极70之间形成有间隙，以形成电隔离，且第二电极80与第一电极70位于同一平面上。同样的，第二电极80的金属材料在本发明实施例中并不作限定。
第一电极70和第二电极80用来给VCSEL芯片注入电流，从第一电极70注入的空穴和从第二电极80注入的电子在量子阱层40的有源区域复合，产生不同波长的光子，VCSEL芯片的增益就是由这些光子组成的；量子阱层40产生的光子向周围传播，只有满足布拉格反射条件的光子才能被第一布拉格反射镜层20和第二布拉格反射镜层50反射回来，第一布拉格反射镜层20和第二布拉格反射镜层50用来选择芯片的激射波长。
本实施例中，设计第二布拉格反射镜层50的对数足够多，使得99.9％的光子在经过第二布拉格反射镜层50时被反射回来；设计第一布拉格反射镜层20的对数相对少一些，使部分光子在通过第一布拉格反射镜层20时离开芯片，即芯片通过第一布拉格反射镜层20产生光输出，形成倒装的VCSEL芯片结构。
基于本发明上述实施例提供的一种倒装VCSEL芯片结构，如图2所示，本发明另一实施例还提供了一种倒装VCSEL芯片的制作方法，所述制作方法包括：
s1：如图3a所示，提供衬底10。
衬底10具有相对设置的第一表面11和第二表面12，第二表面12上可用于生长外延层结构。衬底10具有一定的厚度，便于后期打薄并形成微透镜结构111。衬底10的材料包括但不限定为GaAs。
s2：如图3b所示，在衬底10的第二表面12上形成第一布拉格反射镜层20。
第一布拉格反射镜层20部分覆盖衬底10的第二表面12。第一布拉格反射镜层20作为N-DBR，是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。第一布拉格反射镜层20用于选择VCSEL芯片的激射波长。
s3：如图3c所示，在第一布拉格反射镜层20背离衬底10的表面形成高铝ALGaAs层32。
s4：如图3d所示，将高铝ALGaAs层32位于边缘的部分通过湿氧氧化形成高铝氧化层30，高铝ALGaAs层32位于中部的部分不氧化，形成贯穿高铝氧化层30以供电流流通的的窗口区31。
高铝ALGaAs层32通过湿氧氧化方法，把这层的大部分区域都氧化，形成高铝氧化层30，氧化的部分不导电，只有这层的中间一小部分(窗口区31)没有被氧化，电流将通过这个窗口区31流过。光子通过窗口区31，穿设第一布拉格反射镜层20后，可被衬底10上的微透镜结构111聚焦后射出。高铝氧化层30的目的在于将电流限制在一定的区域范围内。
s5：如图3e所示，在高铝氧化层30背离第一布拉格反射镜层20的一侧形成量子阱层40。空穴和电子在量子阱层40处复合，以产生不同波长的光子，芯片的增益就是由这些光子组成的。
s6：如图3f所示，在量子阱层40背离高铝氧化层30的一侧形成有第二布拉格反射镜层50。
第二布拉格反射镜层50作为P-DBR，同样是由两种不同折射率的材料以ABAB的方式交替排列组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4。第二布拉格反射镜层50用于选择VCSEL芯片的激射波长。在本实施例中，第二布拉格反射镜层50中两种不同折射率的材料的对数大于第一布拉格反射镜层50中两种不同折射率的材料的对数，设计第二布拉格反射镜层50的对数足够多，使得99.9％的光子在经过第二布拉格反射镜层50时被反射回来；设计第一布拉格反射镜层20的对数相对少一些，使部分光子在通过第一布拉格反射镜层20时离开芯片，即芯片通过第一布拉格反射镜层20产生光输出，形成倒装的VCSEL芯片。
s7：如图3g所示，形成介质膜层60。
介质膜层60覆盖第二布拉格反射镜层50、量子阱层40、高铝氧化层30和第一布拉格反射镜层20的侧壁以及延伸至衬底10的第二表面12，且介质膜层60部分覆盖第二布拉格反射镜层50背离量子阱层40一侧的表面。
s8：如图3h所示，形成第一电极70和第二电极80。
第一电极70为P极金属电极，位于第二布拉格反射镜层50背离量子阱层40的表面上，且覆盖暴露出的第二布拉格反射镜层50的表面。空穴可从第一电极70注入。
第二电极80为N极金属电极，位于衬底10的第二表面12上且自衬底10的第二表面12延伸至介质膜层60背离第二布拉格反射镜层50的表面，第二电极80与第一电极70之间形成有间隙，以形成电隔离，且第二电极80与第一电极70位于同一平面上。电子可从第二电极80注入。
s9：如图3i所示，对衬底10进行减薄、抛光，并在衬底10的第一表面11上形成微透镜结构。
通过研磨、抛光工艺对衬底10进行减薄，采用光刻和ICP刻蚀工艺制作微透镜结构111。微透镜结构111与高铝氧化层30的窗口区31相对应，具体的，微透镜结构111与窗口区31在垂直于层结构的方向上对齐设置；微透镜结构111为相对衬底第一表面11凸起设置的半球形结构，具有对光进行聚焦的作用。
s10：如图3j所示，在微透镜结构111的表面蒸镀AR增透膜13。
与现有技术相比，本发明实施方式的倒装VCSEL芯片结构，其衬底表面一体形成有微透镜结构，对光进行聚焦，提高芯片和外接光纤之间的耦合效率，在封装时不再需要安装其它透镜，大大简化了封装工艺。
本发明实施方式的倒装VCSEL芯片结构，光从衬底一侧发出，在将其进行封装时，该倒装VCSEL芯片的P面(远离衬底的一侧)接触封装载体，和传统芯片相比，量子阱层有源区距离封装载体要近很多，有助于芯片散热，从而提高芯片的散热效果，提升芯片的热性能。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种倒装VCSEL芯片结构，其特征在于，包括：
衬底，具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面上形成有聚焦功能的微透镜结构；
第一布拉格反射镜层，设置于所述衬底的第二表面上；
量子阱层，设置于所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的一侧；
第二布拉格反射镜层，设置于所述量子阱层背离所述第一布拉格反射镜层的一侧；
介质膜层，覆盖所述第二布拉格反射镜层、所述量子阱层和所述第一布拉格反射镜层的侧壁以及延伸至所述衬底的第二表面，且所述介质膜层部分覆盖所述第二布拉格反射镜层背离所述量子阱层一侧的表面。
2.如权利要求1所述的倒装VCSEL芯片结构，其特征在于，所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的一侧表面上设置有高铝氧化层，所述高铝氧化层上贯穿形成有与所述微透镜结构相对应的窗口区。
3.如权利要求1所述的倒装VCSEL芯片结构，其特征在于，还包括：
第一电极，设置于所述第二布拉格反射镜层背离所述量子阱层的表面上，且覆盖暴露出的所述第二布拉格反射镜层的表面；
第二电极，设置于所述衬底的第二表面上且自所述衬底的第二表面延伸至所述介质膜层背离所述第二布拉格反射镜层的表面，所述第二电极与所述第一电极之间电隔离，且所述第二电极与所述第一电极位于同一平面上。
4.如权利要求1所述的倒装VCSEL芯片结构，其特征在于，所述第二布拉格反射镜层的对数大于所述第一布拉格反射镜层的对数。
5.如权利要求1所述的倒装VCSEL芯片结构，其特征在于，所述微透镜结构与所述衬底一体成型。
6.如权利要求1所述的倒装VCSEL芯片结构，其特征在于，所述微透镜结构的表面蒸镀有AR增透膜。
7.一种倒装VCSEL芯片的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底，所述衬底具有相对设置的第一表面和第二表面；
在所述衬底的第二表面形成第一布拉格反射镜层；
在所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的表面形成高铝氧化层，所述高铝氧化层上具有可供电流流通的窗口区；
在所述高铝氧化层背离所述第一布拉格反射镜层的一侧形成量子阱层；
在所述量子阱层背离所述高铝氧化层的一侧形成有第二布拉格反射镜层；
形成介质膜层，所述介质膜层覆盖所述第二布拉格反射镜层、所述量子阱层和所述第一布拉格反射镜层的侧壁以及延伸至所述衬底的第二表面，且所述介质膜层部分覆盖所述第二布拉格反射镜层背离所述量子阱层一侧的表面；
形成第一电极和第二电极，所述第一电极位于所述第二布拉格反射镜层背离所述量子阱层的表面上，且覆盖暴露出的所述第二布拉格反射镜层的表面，所述第二电极位于所述衬底的第二表面上且自所述衬底的第二表面延伸至所述介质膜层背离所述第二布拉格反射镜层的表面，第二电极与所述第一电极之间电隔离，且所述第二电极与所述第一电极位于同一平面上；
对所述衬底进行减薄，并在所述衬底的第一表面形成与所述高铝氧化层上的窗口区所对应的微透镜结构，在所述微透镜结构的表面蒸镀AR增透膜。
8.如权利要求7所述的倒装VCSEL芯片的制作方法，其特征在于，所述的在所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的表面形成有高铝氧化层，所述高铝氧化层上具有可供电流流通的窗口区，包括：
在所述第一布拉格反射镜层背离所述衬底的表面形成高铝ALGaAs层，将所述高铝ALGaAs层与所述微透镜结构相对应位置处保持不变以形成所述窗口区，其余部分的所述高铝ALGaAs层通过湿氧氧化形成所述高铝氧化层。
9.如权利要求8所述的倒装VCSEL芯片的制作方法，其特征在于，所述第二布拉格反射镜层的对数大于所述第一布拉格反射镜层的对数。
10.如权利要求8所述的倒装VCSEL芯片的制作方法，其特征在于，通过研磨、抛光工艺对所述衬底进行减薄；采用光刻和ICP刻蚀工艺制作微透镜结构。
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