CN115693401A - 一种垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及芯片制造技术领域，公开了一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，包括衬底和外延结构，所述外延结构包括依次生长在衬底上的N‑DBR、有源区、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层，所述部分刻蚀高折射率光栅层上沉积有光学膜保护层，所述有源区、N‑DBR、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层上设有光学膜层，光学膜层上设有互联金属；方法包括晶圆制备、晶圆曝光、晶圆刻蚀、第一次台面刻蚀、第二次台面刻蚀、沉积光学保护膜、种子层溅射、互联金属制备和出光口金属刻蚀。本发明使用亚波长光栅代替VCSEL的P面反射镜，满足垂直腔面发射激光器器件小型化的要求。
Description
技术领域
本发明涉及芯片制造技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称垂直腔面发射激光器)是光纤通讯所采用的光源之一，也是3D成像模组中的关键器件。它拥有圆形光斑，易于光纤耦合，而不需要复杂昂贵的光束整形系统；光腔长度极短，导致其纵模间距拉大，可在较宽的温度范围内实现单纵模工作，动态调制频率高；出光方向垂直于衬底，易于集成二维发光阵列，可在片测试、极大地降低了开发成本等。正是由于上述优点，在宽带以太网、高速数据通信网、光互联和光通信中得到了大量的应用，它广泛应用于3D识别感测及VR/AR等领域。
在2017年，随着带有3D人脸识别功能的最新一代苹果手机的发布，VCSEL真正进入公众视野。其中实现3D人脸识别的光源为940nm VCSEL，至此，VCSEL的波长研发重点，由以光通信为主的850nm慢慢转向以应用于消费级设备为主的940nm，人们发现在更多的应用场景下VCSEL也有极其优越的表现，例如在AR、VR、汽车智能辅助驾驶和人工智能机器人。
VCSEL的谐振腔很短，这使作为腔镜的分布布拉格反射镜的对数通常要达到20-40对才能满足器件激射的需求，当生长DBR的对数较多时，既增大了串联电阻和工艺难度，也不利于器件的小型化，尤其对于P型DBR的高电阻特性和光吸收，严重影响器件性能，所以对P面反射镜进行优化，是提高垂直腔面发射激光器性能的重要途径。近年来，随着加工技术和理论研究的发展，亚波长光栅越来越受到人们的关注，使用亚波长光栅代替VCSEL的P面反射镜，可以达到减少由多层DBR引起的串联电阻高以及吸收损耗大的目的，同时可以提高激光的输出质量，改善VCSEL的偏振特性，满足器件小型化的发展趋势。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，使用亚波长光栅代替VCSEL的P面反射镜，满足垂直腔面发射激光器器件小型化的要求。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种垂直腔面发射激光器，包括衬底和外延结构，所述外延结构包括依次生长在衬底上的N-DBR、有源区、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层，所述部分刻蚀高折射率光栅层上沉积有光学膜保护层，所述有源区、N-DBR、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层上设置有光学膜层，所述光学膜层上设置有互联金属。
传统VCSEL通常由N面、P面DBR、有源区和衬底等组成，通过交替生长厚度为λ/4的高折射率层和低折射率层形成DBR。为了实现极高的反射率(一般要大于99％)，DBR的对数通常要达到20-40对，当DBR对数增大，一方面器件中的串联电阻变大，尤其对于P型DBR，由于空穴具有较大的有效质量，且其迁移率较小，在界面处的同型异质结所具有的势垒较大，这将引起串联电阻变大和发热严重，从而使器件内部温度升高，改变半导体材料的折射率和禁带宽度，从而影响器件性能。另一方面，较多的生长对数会导致工艺难度和生长成本增加，并且不利于器件的小型化。故从降低串联电阻以及器件小型化的角度出发，对P面反射镜进行优化，是提高VCSEL性能的一个重要途径。本技术方案利用光栅代替P面DBR，可以提高垂直腔面发射激光器性能，且可以减少串联电阻以及吸收损耗，改善VCSEL的偏振特性，满足垂直腔面发射激光器器件小型化的要求。
进一步，所述光栅基底高折射率过渡层的膜层厚度为200-500nm，折射率为3.521；所述高折射率层的膜层厚度为80-120nm，折射率为3.14；所述部分刻蚀高折射率光栅层的膜层厚度为400-500nm，折射率为3.521。本技术方案的过渡层、高折射率层和高折射率光栅层如此的膜厚和折射率，经大量验证，其提供反射率可以达到99.5％以上。
进一步，所述衬底、光栅基底高折射率过渡层和部分刻蚀高折射率光栅层的材料均为GaAs，所述的高折射率层的材料为AlAs材料。AlAs为高折射率材料，氧化后生成氧化铝，氧化铝为低折射率材料。
进一步，所述衬底远离N-DBR的一侧设置有SiN应力膜。SiN应力膜的设置可以对晶圆的翘曲进行补偿，减小晶圆的翘曲度，晶圆翘曲度的减小，可以避免机台真空吸附不稳，有破片风险，光刻、刻蚀、氧化等工艺均匀性变差等问题，也可以提升波长的均匀性。
本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1、晶圆制备：在衬底上依次生长N-DBR、有源区、氧化限制层、GaAs材料的过渡层、AlAs材料的高折射率层和GaAs材料的高折射率层，形成晶圆；
S2、晶圆曝光：在晶圆上旋涂增粘剂和光刻胶，然后对晶圆曝光，形成光栅条纹；
S3、晶圆刻蚀：对晶圆的表面GaAs材料的高折射率层进行刻蚀，形成刻蚀深度为200-300nm的光栅；
S4、第一次台面刻蚀：在具有光栅的晶圆上涂覆光刻胶，间隔设置多个第一不涂覆区，然后进行第一次台面刻蚀，刻蚀时使用的刻蚀气体为氯气和氮气，第一次台面刻蚀到过渡层，使高折射率层刚好裸露，再全面氧化，使得高折射率层完全氧化为低折射率的氧化铝Al2O3；
S5、第二次台面刻蚀：在晶圆上再次涂覆光刻胶，在第一不涂覆区的一侧设置第二不涂覆区，然后进行第二次台面刻蚀，刻蚀至第三对N-DBR，使氧化限制层的截面刚好裸露，再进行部分氧化，形成氧化限制孔径；
S6、沉积光学保护膜：对整片晶圆沉积光学保护膜氮化硅，阻止氧化继续进行；
S7、种子层溅射：刻蚀去除需要导通区域的光学保护膜，然后进行种子层溅射一层薄金，为后续电镀金属做准备；
S8、互联金属制备：将晶圆的出光口上的光栅用光刻胶保护，其余区域电镀上金，形成互联金属；
S9、出光口金属刻蚀：进行种子层刻蚀，刻蚀掉出光口处的金属，得到垂直腔面发射激光器。
进一步，所述步骤S1中过渡层的生长膜层厚度为200-500nm，折射率为3.521；高折射率层的生长膜层厚度为80-120nm，折射率为3.14；高折射率光栅层的生长膜层厚度为400-500nm，折射率为3.521。本技术方案的过渡层、高折射率层和高折射率光栅层如此的膜厚和折射率，经大量验证，其提供反射率可以达到99.5％以上。
进一步，在步骤S1的晶圆制备之后，测量衬底的翘曲度，并使用SiN应力膜对衬底进行背面翘曲补偿。本技术方案在晶圆制备之后，使用SiN应力膜对衬底进行背面翘曲补偿，可以减小衬底的翘曲度，从而提升波长的均匀性。
进一步，所述步骤S3、S4和S5中的刻蚀方法均为采用ICP刻蚀方法进行刻蚀。
进一步，所述步骤S4中全面氧化时，在350-500℃的温度下，使用湿法氧化，将AlAs氧化为Al2O3。本技术方案采用湿法氧化进行氧化，其氧化反应为2AlAs+3H2O(g)＝Al2O3+2As+3H2。
本发明的有益效果：
在现有技术中，常用的VCSEL的DBR对数大约在20-40对，这么多对数主要增大了串联电阻，且不利于器件的小型化，尤其对于P型DBR的高电阻特性和光吸收，严重影响器件性能，本发明利用光栅代替P面DBR，可以提高垂直腔面发射激光器性能，其可以提供的反射率大于99.5％，以及更大的带宽，且可以减少串联电阻以及吸收损耗，改善VCSEL的偏振特性，满足垂直腔面发射激光器器件小型化的要求。
附图说明
图1是本发明一种垂直腔面发射激光器的结构示意图；
其中，衬底1、N-DBR2、有源区3、氧化限制层4、光栅基底高折射率过渡层5、高折射率层6、部分刻蚀高折射率光栅层7、光学膜保护层8、互联金属9、SiN应力膜10、SiN光学膜11、光栅12、第一不涂覆区13、第二不涂覆区14。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明：
实施例1、
本实施例为一种垂直腔面发射激光器，如图1所示，包括GaAs材料的衬底1和外延结构，外延结构包括依次生长在衬底1上的N-DBR2、有源区3、氧化限制层4、GaAs材料的光栅基底高折射率过渡层5、AlAs材料的高折射率层6和GaAs材料的部分刻蚀高折射率光栅层7，部分刻蚀高折射率光栅层7上沉积有SiN光学膜保护层8，N-DBR2、有源区3、氧化限制层4、光栅基底高折射率过渡层5、高折射率层6和部分刻蚀高折射率光栅层7上设置有光学膜层，此光学膜层可以是SiN或者SiO2等透光防氧化的材料，本实施例为SiN材料，光学膜层上设置有互联金属9，衬底1的下侧翘曲补偿有SiN应力膜10。
光栅基底高折射率过渡层5的膜层厚度为200-500nm，本实施例为350nm，折射率为3.521；高折射率层6的膜层厚度为80-120nm，本实施例为100nm，折射率为3.14；部分刻蚀高折射率光栅层7的膜层厚度为400-500nm，本实施例为450nm，折射率为3.521。
实施例2、
本实施例为一种垂直腔面发射激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1、晶圆制备：使用金属有机化学气相沉积方法在衬底1上依次生长N-DBR2、有源区3、氧化限制层4、光栅基底高折射率过渡层5、高折射率层6和高折射率GaAs光栅层7，形成晶圆；其中过渡层的生长膜层厚度为200nm，折射率为3.521；高折射率层6的生长膜层厚度为80nm，折射率为3.14；高折射率光栅层的生长膜层厚度为400nm，折射率为3.521；
S2、测量衬底1的翘曲度，使用SiN应力膜10对衬底1进行背面翘曲补偿；
S3、在晶圆上旋涂增粘剂(六甲基二硅胺烷)和光刻胶(AZ7900系列)，然后对晶圆曝光，形成光栅条纹；
S4、使用ICP刻蚀技术对晶圆表面的GaAs材料进行刻蚀，形成刻蚀深度为200nm的光栅12；
S5、在具有光栅12的晶圆上涂覆光刻胶(SPR220-4.5)，间隔设置第一不涂覆区13，然后采用ICP刻蚀方法进行第一次台面刻蚀，刻蚀时使用的刻蚀气体为氯气和氮气；第一次台面刻蚀到光栅基底高折射率过渡层5，使得高折射率层6刚好裸露，再全面氧化，使得高折射率层6完全氧化为低折射率的氧化铝Al2O3；
S6、在晶圆上再次涂覆光刻胶(SPR220-4.5)，在第一不涂覆区13的一侧设置第二不涂覆区14，然后采用ICP刻蚀方法进行第二次台面刻蚀，刻蚀至N-DBR2，使氧化限制层4的截面裸露出来，再进行部分氧化，形成氧化限制孔径；
S7、对整片晶圆沉积光学保护膜氮化硅，阻止氧化继续进行；
S8、用ICP刻蚀去除需要导通区域的氮化硅，然后进行种子层溅射，溅射一层薄金，为后续电镀金属做准备；
S9、利用光刻工艺，将出光口上的光栅12用光刻胶保护，其余区域电镀上金，实现金属互联；
S10、进行种子层刻蚀，刻蚀掉出光口处的金属。
实施例3、
本实施例与实施例2对比，其区别仅仅在于，本实施例的过渡层的生长膜层厚度为350nm；高折射率层6的生长膜层厚度为100nm；高折射率光栅层的生长膜层厚度为450nm；使用ICP刻蚀技术对晶圆表面的GaAs材料进行刻蚀，形成光栅12的刻蚀深度为250nm。
实施例4、
本实施例与实施例2对比，其区别仅仅在于，本实施例的过渡层的生长膜层厚度为500nm；高折射率层6的生长膜层厚度为120nm；高折射率光栅层的生长膜层厚度为500nm；使用ICP刻蚀技术对晶圆表面的GaAs材料进行刻蚀，形成光栅12的刻蚀深度为300nm。
对上述的实施例2-实施例5制备的垂直腔面发射激光器的反射率进行测定，分别为99.55％、99.65％和99.60％。
从上述结果可以看出，本发明的垂直腔面发射激光器，使用高折射率对比度亚波长光栅12代替P型DBR，可以提供大于99.5％的反射率。并且，通过这样的设置，还可以减少串联电阻以及吸收损耗，改善VCSEL的偏振特性，满足垂直腔面发射激光器器件小N-DBR化的要求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (9)
1.一种垂直腔面发射激光器，包括衬底和外延结构，其特征在于：所述外延结构包括依次生长在衬底上的N-DBR、有源区、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层，所述部分刻蚀高折射率光栅层上沉积有光学膜保护层，所述有源区、N-DBR、氧化限制层、光栅基底高折射率过渡层、高折射率层和部分刻蚀高折射率光栅层上设置有光学膜层，所述光学膜层上设置有互联金属。
2.根据权利要求1所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述光栅基底高折射率过渡层的膜层厚度为200-500nm，折射率为3.521；所述高折射率层的膜层厚度为80-120nm，折射率为3.14；所述部分刻蚀高折射率光栅层的膜层厚度为400-500nm，折射率为3.521。
3.根据权利要求2所述的一种垂直腔面发射激光器，其特征在于：所述衬底、光栅基底高折射率过渡层和部分刻蚀高折射率光栅层的材料均为GaAs，所述的高折射率层的材料为AlAs材料。
4.根据权利要求3所述的一种垂直腔面发射激光器及其制备方法，其特征在于：所述衬底远离N-DBR的一侧设置有SiN应力膜。
5.一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、晶圆制备：在衬底上依次生长N-DBR、有源区、氧化限制层、GaAs材料的过渡层、AlAs材料的高折射率层和GaAs材料的高折射率层，形成晶圆；
S2、晶圆曝光：在晶圆上旋涂增粘剂和光刻胶，然后对晶圆曝光，形成光栅条纹；
S3、晶圆刻蚀：对晶圆的表面GaAs材料的高折射率层进行刻蚀，形成刻蚀深度为200-300nm的光栅；
S4、第一次台面刻蚀：在具有光栅的晶圆上涂覆光刻胶，间隔设置多个第一不涂覆区，然后进行第一次台面刻蚀，刻蚀时使用的刻蚀气体为氯气和氮气，第一次台面刻蚀到过渡层，使高折射率层刚好裸露，再全面氧化，使得高折射率层完全氧化为低折射率的氧化铝Al2O3；
S5、第二次台面刻蚀：在晶圆上再次涂覆光刻胶，在第一不涂覆区的一侧设置第二不涂覆区，然后进行第二次台面刻蚀，刻蚀至第三对N-DBR，使氧化限制层的截面刚好裸露，再进行部分氧化，形成氧化限制孔径；
S6、沉积光学保护膜：对整片晶圆沉积光学保护膜氮化硅，阻止氧化继续进行；
S7、种子层溅射：刻蚀去除需要导通区域的光学保护膜，然后进行种子层溅射一层薄金，为后续电镀金属做准备；
S8、互联金属制备：将晶圆的出光口上的光栅用光刻胶保护，其余区域电镀上金，形成互联金属；
S9、出光口金属刻蚀：进行种子层刻蚀，刻蚀掉出光口处的金属，得到垂直腔面发射激光器。
6.根据权利要求5所述的一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中过渡层的生长膜层厚度为200-500nm，折射率为3.521；高折射率层的生长膜层厚度为80-120nm，折射率为3.14；高折射率光栅层的生长膜层厚度为400-500nm，折射率为3.521。
7.根据权利要求6所述的一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：在步骤S1的晶圆制备之后，测量衬底的翘曲度，并使用SiN应力膜对衬底进行背面翘曲补偿。
8.根据权利要求7所述的一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3、S4和S5中的刻蚀方法均为采用ICP刻蚀方法进行刻蚀。
9.根据权利要求8所述的一种垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中全面氧化时，在350-500℃的温度下，使用湿法氧化，将AlAs氧化为Al2O3。
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