CN116868462A - 一种vcsel及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种VCSEL，包括衬底、第一反射器区、第二反射器区、有源区和氧化缝隙。第二反射器区包括反射镜对。反射镜对具有第一层和第二层。第一层的边和第二层的边沿着大致垂直于衬底的方向排列。
Description
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器(VCSELs)和VCSELs的制造方法。
背景技术
VCSELs具有垂直腔和外延生长层，这些层形成分布式布拉格反射器(DBR)作为反射镜，而边缘发射半导体激光器具有水平腔和切割面作为反射镜。相对于边缘发射半导体激光器，VCSELs具有尺寸紧凑、圆形束斑紧凑、波长稳定、光谱宽、上升时间快速、易于制造二维(2-D)VCSEL阵列、可制造性强等优点。
一些VCSELs具有氧化层，该氧化层在操作期间形成用于电和光学限制的氧化缝隙。当形成氧化缝隙时，DBR的一些层在台面的边缘被氧化。DBR区域的氧化会导致高机械应力并形成一定的结构弱点，从而导致VCSELs的可靠性差，甚至出现灾难性的过早随机故障。
发明内容
本发明提供一种VCSELs以及制造VCSELs的方法。一方面，一种VCSEL包括衬底、在所述衬底上方的第一反射器区、在所述第一反射器区上方的第二反射器区、在所述第一反射器区和所述第二反射器区之间的有源区；以及靠近所述有源区的氧化缝隙。所述第二反射器区包括多个反射镜对。所述反射镜对包括第一层和第二层，所述第一层的边和所述第二层的边沿着沿着大致垂直于所述衬底的方向排列。
另一方面，一种用于制造VCSEL的方法，包括在衬底上生长第一反射器区，在所述第一反射器区上生长有源区，在所述有源区上生长第二反射器区，通过蚀刻移除所述第二反射器区的一部分。所述第二反射器区包括反射镜对，所述反射镜对包括第一层和第二层。在移除后暴露所述第一层和所述第二层的侧边。所述方法还包括在所述第一层和所述第二层的暴露侧上形成介电层；以及执行氧化工艺以形成用于VCSEL器件的氧化缝隙。
再一方面，一种VCSEL包括衬底、在所述衬底上方的第一反射器区、在所述第一反射器区上方且被介电区包围的第二反射器区、在所述第一反射器区和所述第二反射器区之间的有源区；以及靠近所述有源区的氧化缝隙。所述第二反射器区包括多个反射镜对，所述反射镜对包括第一层和第二层，所述第一层的边和所述第二层的边与所述介电区接触。
附图说明
在说明书结尾处的权利要求中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。以下通过结合附图的详细描述，本发明的上述和其他特征以及优点将显而易见。
图1是现有技术中的VCSEL的横截面图。
图2根据本发明实施例示意性示出了VCSEL在制造过程中的特定阶段的截面图。
图3根据本发明实施例示意性地示出了在制作台面之后图4所示的VCSEL的截面图。
图4、图5和图6根据本发明实施例示意性地示出了图3所示VCSEL在制造过程中的特定阶段的截面图。
图7根据本发明实施例示意性地示出了在执行氧化工艺之后图6所示的VCSEL的截面图。
图8根据本发明实施例示意性地示出了图7所示VCSEL在制造过程的特定阶段的截面图。
图9根据本发明实施例示意性示出了另一种VCSEL在制造过程的特定阶段的截面图。
图10根据本发明实施例示意性示出了制造工艺的流程图。
具体实施例
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，进一步阐明本发明的目的、技术方案和优点。在可能的情况下，在整个附图中使用相同的参考数字来指代相同或相似的部件。应注意的是，本申请所讨论的示意性实施例仅用于说明本发明。本发明不限于所公开的实施例。
图1以X-Z平面的横截面视图显示了现有技术的垂直腔面发射激光器(VCSEL)100。VCSEL 100表示顶发射VCSEL结构，其在通过电流充电时利用顶表面发射输出光束。VCSEL100包括有源区101、顶部反射器区102、底部反射器区103和衬底104。有源区101包含多量子阱(MQW)结构。顶部反射器区102包含p型分布式布拉格反射器(DBR)。底部反射器区103包含n型DBR。衬底104是导电的n型衬底。通过外延工艺中在衬底104上生长量子阱和DBR。顶部反射器区102和底部反射器区103中的每一个都包含反射镜对的堆叠。例如，顶部反射器区102的反射镜对具有层105和层106。层105包含Al0.7Ga0.3As，而层106包含GaAs。本申请中使用的术语“反射镜对”表示两个四分之一波长层，其中一个四分之一波长层形成在另一个四份之一波长层上。本申请中使用的术语“四分之一波长层”表示层中光的厚度为((2n-1)/4)λ的层，其中n是整数，λ是波长。这样，反射镜对的光学厚度是半波，并且每个反射镜对用作反射器。
图1示出了在氧化工艺之后处于制造阶段的VCSEL 100。利用氧化将高Al含量(即铝含量)层转化为氧化层107(例如AlxOy层)。高Al含量层包含AlAs。由于氧化速率特别依赖于Al含量，高Al含量层的高氧化速率产生氧化缝隙108。由于层105也包含Al并且在氧化工艺中暴露，所以在外延层106之间形成氧化层109。本申请中使用的术语“外延层”表示外延生长的层。由于较慢的氧化速率，氧化层109位于台面的边缘周围。当层105的某些部分变成氧化层109时，层105和106的边缘沿着垂直方向或Z方向不匹配。
当形成氧化层109并取代层105的某些部分时，可能会形成高的机械应力，特别是在层105和109之间以及层106和109之间的交界周围的区域，例如区域110中。高的机械应力或导致结构弱点，甚至导致VCSEL 100灾难性的过早随机失效。
图2根据本发明实施例示意性地示出了VCSEL 200在特定制造阶段的截面图。横截面视图位于X-Z平面上。如图2所示，VCSEL 200可以包括有源区201、有源区201上的顶部反射器区202和衬底204上的底部反射器区203。有源区201在底部反射器区203之上并且在顶部和底部反射器区202和203之间。在一些情况下，有源区201可以包含MQW结构。顶部和底部反射器区202和203分别包括导电的p型DBR结构和导电的n型DBR结构。顶部反射器区202具有包括层205和206的反射镜对的堆叠，而底部反射器区203具有包括层207和208的反射镜对的堆叠。在一些方面，DBR结构的堆叠可以包括多于20个反射镜对。高Al含量层209可选地位于顶部反射器区202和有源区201之间。底部反射器区203、有源区201、层209和顶部反射器区202可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)在衬底204上外延且连续地生长。
在一些实施例中，层205和206可以分别包含AlxGa1-xAs和GaAs；层207和208可以分别包含AlyGa1-yAs和GaAs；层209可以包含AlzGa1-zAs；并且衬底204可以是GaAs衬底。VCSEL200的输出波长可以是例如850、980或1100纳米。可选地，诸如氮化硅层的介电层(未示出)可以沉积在VCSEL 200的顶部上作为保护层。
图3根据本发明实施例示意性地示出了在蚀刻工艺之后的VCSEL 200的截面图。蚀刻工艺可以包括干法蚀刻或干法蚀刻和湿法蚀刻的组合。在通过蚀刻去除顶部反射器区202的某些部分之后形成台面。在一些情况下，台面为圆柱形，并且台面的横截面在X-Y平面或水平平面中为圆形。层205和206的侧面暴露在台面的侧面上。层206A位于高Al含量层209之上并与之相邻。在一些方面，通过蚀刻工艺去除层206A的一部分以暴露层206A，而层209保持被层206A覆盖。在一些其他情况下，通过蚀刻工艺去除台面旁边的层206A以暴露层209。在下面的描述中，作为示例，层209在蚀刻之后被层206A覆盖。此后，通过化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)沉积介电材料(例如，氮化硅)。形成介电层210，其覆盖台面和层206A的暴露部分，如图4所示。
进一步地，通过干蚀刻来蚀刻掉层210，以形成覆盖台面侧面的介电侧壁211，并再次暴露层206A，如图5所示。此外，进行另一次干蚀刻以蚀刻掉台面旁边的层206A和209。在某些情况下，对层209进行部分蚀刻，并且在层209被暴露之后，位于层209下方并与层209相邻的层201A是没有被暴露的，如图6所示。或者，蚀刻层209以暴露其下方的层201A。在以下描述中，在另一次干法蚀刻之后，层209下方的层201没有被暴露。
进一步地，在高温(例如，400摄氏度)蒸汽环境或干燥氧气环境中进行定时的氧化工艺。图7根据本发明实施例示意性地示出了在氧化工艺之后的VCSEL 200的截面图。由于层209的选择性横向氧化，在外延层206A和201A之间产生氧化层212。氧化层212可以包含例如AlxOy。当台面在X-Y平面中具有圆形横截面时，氧化层212为环形，并且在环形内部形成氧化缝隙213。这样，层209是形成氧化层212和氧化缝隙213的层。由于侧壁211的原因，层205没有暴露出来。因此，由于侧壁211的存在，在传统氧化工艺期间被部分氧化的含Al层205由于被屏蔽而没有被氧化。由于层205没有被转换成氧化层，因此不会产生如上所述的机械应力。与应力和结构薄弱相关的可靠性问题可以得到缓解。
与层206A和201A相比，层209的Al含量相对较高，使得可以仅由层209形成氧化缝隙213。在一些方面中，层206A和201A可以不含Al(例如，GaAs)。在这些情况下，VCSEL 200可以在外延层之间具有一个氧化层(即，层212)。可选地，层206A和/或201A可以含Al(例如，Al0.5Ga0.5As)，并且可以转换成氧化层。在这种情况下，VCSEL 200可以在外延层之间具有两个或三个氧化层(包括层212)。这样，当层206A和/或201A含Al并且被部分氧化时，氧化工艺在外延层之间最多只产生两个或三个氧化层。此外，一个或多个氧化层(或外延层之间的所有氧化层)比顶部反射器区202的上部更靠近有源区201。假设顶部反射器区202具有二十个反射镜对，即，层205的数量为20。当层205的侧面没有被侧壁覆盖时，会形成额外的二十个氧化层。由于侧壁211防止层205被氧化，因此可以改善可靠性问题。
由于层205没有被氧化，所以层205不会被氧化工艺改变。因此，层205和206的边缘保持与侧壁211直接接触，并沿着Z方向或大致垂直于衬底204的方向(或线)对齐，如图7所示。另一方面，如果层205被氧化并部分变成氧化层，则层205的边缘在氧化工艺中沿着X方向(或者当台面是圆柱体时的径向方向)移动。在这种情况下，层205和206的边缘沿着Z方向不匹配。侧壁211可以被空气、真空、诸如金属的导电材料或沉积的介电材料包围。空气、真空、导电材料或介电材料以及侧壁211形成围绕顶部反射器区202的外围区。层205和206的边缘直接接触外围区。
在某些方面，层205和207的Al含量可能低于层209的Al含量。例如，层205和206可以分别包含Al0.7Ga0.3As和GaAs；层207和208可以分别包含Al0.7Ga0.3As和GaAs；并且层209可以包含AlAs。在这些情况下，当未沉积侧壁211时，部分层205变为氧化层。然而，当侧壁211沉积后，层205在氧化工艺中不被氧化。
进一步地，当侧壁211覆盖层205的侧面时，在某些情况下，层205和/或207的至少一部分可以具有与层209相同的Al含量。例如，层205、207和209可以包含AlAs；层206A和201A可以包含Al0.6Ga0.4As；并且层206和208可以包含GaAs。此外，层205和/或207的至少一部分的Al含量的值可以任选地大于层209的Al含量。例如，层205和207可以包含AlAs，而层209可以包含Al0.9Ga0.1As。
可以在层211、212和台面顶部氧化后沉积ALD Al2O3层或等效层，以形成整体(覆盖所有东西)的防潮阻挡层，从而在随后的处理步骤中更好地保护结构，并使VCSEL在湿热环境中具有更好的性能和可靠性。光致抗蚀剂图案定义和随后的蚀刻步骤在台面顶部的ALDAl2O3层中打开窗口，用于形成随后的金属触点。
图8根据本发明实施例示意性地示出了在金属沉积工艺之后的VCSEL 200的截面图，前提是VCSEL 200是顶发射VCSEL器件。在某一阶段，执行金属沉积工艺以在顶部反射器区202上形成金属层214。例如，可以在VCSEL 200上沉积光致抗蚀剂层。可以对光致抗蚀剂层的一部分进行曝光和显影。光致抗蚀剂层的未被曝光和显影的其他部分可以被去除。然后，可以在剥离工艺中去除光致抗蚀剂层的区域中沉积金属层214。当VCSEL 200的顶表面被保护性介电层(例如，ALD Al2O3层)覆盖时，可以在去除光致抗蚀剂层之后首先蚀刻掉该介电层。在一些情况下金属层214为环形，并且是电连接到顶部反射器区202的p-金属触点。在一些实施例中，可以在较早阶段制造金属层214，例如，在形成台面或氧化工艺之前。随后可以沉积介电层以覆盖和保护金属层214。
之后，可以在衬底204的底部沉积金属层215，以形成n-金属触点，如图8所示。如果VCSEL 200是底部发射VCSEL器件，则金属层215为环形(未示出)以形成用于输出光束的窗口。
图9根据本发明实施例示意性地示出了VCSEL 300在制造工艺阶段的截面图。横截面视图位于X-Z平面上。VCSEL 300可以包括有源区301、顶部反射器区302、底部反射器区303和衬底304。有源区301位于顶部反射器区302和底部反射器区303之间，并且包含MQW结构。顶部和底部反射器区302和303分别包括p型DBR结构和n型DBR结构。顶部反射器区302包括形成反射镜对的堆叠的层305和306，而底部反射器区303包括形成另一反射镜对堆叠的层307和308。可选地，高Al含量层设置在有源区301和底部反射器区303之间。类似于VCSEL200，层305和306可以分别包含AlxGa1-xAs和GaAs；层307和308可以分别包含AlyGa1-yAs和GaAs；高Al含量层可以包含AlzGa1-zAs；并且衬底304可以是GaAs衬底。
在制造过程中，可以通过MOCVD或MBE在衬底304上外延生长VCSEL 300的层(例如，层305-308和MQW的层)。此外，进行诸如干法蚀刻之类的蚀刻以形成沟槽。沟槽可以在X-Y平面中具有环形形状，从而形成圆柱形台面。台面中的层305-306和有源区301的侧面暴露在沟槽中。假设层301A位于有源区301和高Al含量层之间。在一些方面，通过蚀刻工艺去除层301A的一部分以暴露层301A，而高Al含量层保持被层301A覆盖。在一些其他情况下，通过蚀刻工艺去除层301A且暴露高Al含量层。在下面的描述中，适用前一种情况。此外，形成介电侧壁311以覆盖层305-306和有源区301的暴露侧。
之后，进行干蚀刻以蚀刻掉台面旁边和沟槽底部的层301A和高Al含量层。在一些情况下，部分蚀刻高Al含量层，并且不暴露在高Al含量层之下并与之相邻的层308A。或者，蚀刻高Al含量层以暴露其下方的层308A。在以下描述中，适用前一种情况，即，在干蚀刻后不暴露层308A。
进一步地，进行定时氧化工艺(例如，湿式氧化工艺)。高Al含量层被氧化以形成氧化层312和氧化缝隙313。由于侧壁311的原因，层305没有被暴露出来。由于没有将层305转化为氧化层，所以在氧化工艺中没有产生如上所述的机械应力。
由于上述原因，与层301A和308A相比，高Al含量层具有相对高的Al含量。在一些方面，层301A和308A可以包含GaAs并且不含Al。在这些情况下，VCSEL 300可以在外延层之间具有一个氧化层(即，层312)。可选地，层301A和/或308A可以为Al0.5Ga0.5As，并且可以转换为氧化层。在这样的情况下，VCSEL 300可以在外延层之间具有两个或三个氧化层(包括层312)，或者在外延层间最多具有两个或者三个氧化层(包括312)。
由于层305没有被氧化，因此通过氧化工艺改变了层305。层305和306的边缘保持与侧壁311直接接触，层305和层306以及有源区301的边缘沿着Z方向或大致垂直于衬底304的线对齐，如图9所示。此外，可以执行沉积工艺(例如，CVD)以用介电材料316(例如，氧化硅、氮化硅或聚酰亚胺)填充沟槽。可选地，可以用诸如金属的导电材料填充沟槽。侧壁311和介电材料316(或导电材料)形成围绕台面的外围区。层305和306的边缘直接接触介电区域。假设VCSEL 300是顶部发射器件。在顶部反射器区302上生长作为p金属触点的环形金属层314，并且在衬底304的底部上生长作为n金属触点的金属层315。如果VCSEL 300被配置用于底部发射，则金属层315为环形(未示出)以形成输出窗口。
由于侧壁311，在某些情况下，层305的至少一部分的Al含量可以与高Al含量层的Al含量相同或甚至更大。例如，层305和307可以包含AlAs；高Al含量层可以包含AlAs或Al0.9Ga0.1As；层301A和308A可以包含Al0.6Ga0.4As或GaAs；并且层306和308可以包含GaAs。
图10是根据本发明实施例的VCSEL的示意性制造工艺400的流程图。工艺400从提供诸如n型GaAs晶片之类的衬底开始。在步骤401，在衬底上外延生长作为底部反射器区的多个层。底部反射器区包括作为DBR结构的反射镜对的堆叠。在步骤402，外延生长有源区。有源区可以包括MQW区。此外，外延沉积高Al含量层。或者，也可以在步骤401和402之间沉积高Al含量层。在步骤403，外延生长作为顶部反射器区的多个层。顶部反射器区包括作为另一DBR结构的反射镜对的堆叠。
在步骤404，通过蚀刻掉顶部反射器区的一部分来形成台面结构。在某些情况下，通过蚀刻形成沟槽。沟槽水平地包围台面结构，并且沿着垂直方向延伸穿过顶部反射器区。沟槽暴露出顶部反射器区的侧面。高Al含量层上方的层也暴露在沟槽的底部。
在步骤405，制造介电侧壁以覆盖顶部反射器区的暴露侧，即有源区上方的反射镜对的侧面。此外，进行蚀刻以使沟槽更深以暴露高Al含量层。
在步骤406中，通过氧化工艺(例如，使用热水蒸气)来氧化高Al含量层，以形成氧化层和氧化缝隙。然后用一种或多种介电材料填充沟槽以形成隔离区域。在步骤407，分别沉积顶部触点金属层和底部触点金属层。
在氧化过程中，由于介电侧壁阻挡氧气，在顶部反射器区包含Al的层不会被氧化。因此，在其中不形成氧化层，并且不产生相应的高机械应力和结构弱点。上述方法可用于提高VCSEL和VCSEL阵列的可靠性。
尽管已经公开了本发明的具体实施例，但本领域普通技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对具体实施例进行改变。因此，本发明的范围不限于特定的实施例。此外，所附权利要求旨在覆盖本发明范围内的任何和所有这样的应用、修改和实施例。
Claims (20)
1.一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)器件，包括：
衬底；
在所述衬底上方的第一反射器区；
在所述第一反射器区上方的第二反射器区；
在所述第一反射器区和所述第二反射器区之间的有源区；以及
靠近所述有源区的氧化缝隙，其中所述第二反射器区包括多个反射镜对，所述反射镜对包括第一层和第二层，所述第一层的边和所述第二层的边沿着沿着大致垂直于所述衬底的方向排列。
2.如权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于，所述多个反射镜对形成分布式布拉格反射器(DBR)结构。
3.如权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于，所述有源区包括多量子阱(MQW)结构。
4.如权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于，所述第二反射器区被外围区包围并且所述第一层的所述边和所述第二层的所述边与所述外围区接触。
5.如权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于，外延层之间的所有氧化层都比第二反射器区的上部更靠近有源区。
6.如权利要求1所述的VCSEL器件，还包括外延层之间的少于十层的氧化层。
7.如权利要求1所述的VCSEL器件，其特征在于，所述第一层和所述第二层中的一个的铝含量等于或大于形成氧化缝隙的层的铝含量。
8.一种用于制造垂直腔面发射激光器(VCSEL)器件的方法，包括：
在衬底上生长第一反射器区；
在所述第一反射器区上生长有源区；
在所述有源区上生长第二反射器区，所述第二反射器区包括反射镜对，所述反射镜对包括第一层和第二层；
通过蚀刻移除所述第二反射器区的一部分，并在移除后暴露所述第一层和所述第二层的侧边；
在所述第一层和所述第二层的暴露侧上形成介电层；以及执行氧化工艺以形成用于VCSEL器件的氧化缝隙。
9.如权利要求8所述的方法，还包括在执行氧化工艺之前暴露含铝的层。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一反射器区和所述第二反射器区包括分别包括布式布拉格反射器(DBR)结构。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述有源区包括多量子阱(MQW)结构。
12.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在执行氧化工艺后，所述第一层的边和所述第二层的边沿着沿着大致垂直于所述衬底的方向排列。
13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一层的边和所述第二层的边与所述介电层接触。
14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，外延层之间的所有氧化层都比第二反射器区的上部更靠近有源区。
15.一种垂直腔面发射激光器(VCSEL)器件，包括：
衬底；
在所述衬底上方的第一反射器区；
在所述第一反射器区上方且被介电区包围的第二反射器区；
在所述第一反射器区和所述第二反射器区之间的有源区；以及
靠近所述有源区的氧化缝隙，其中所述第二反射器区包括多个反射镜对，所述反射镜对包括第一层和第二层，所述第一层的边和所述第二层的边与所述介电区接触。
16.如权利要求15所述的VCSEL器件，其特征在于，所述多个反射镜对形成分布式布拉格反射器(DBR)结构。
17.如权利要求15所述的VCSEL器件，其特征在于，所述有源区包括多量子阱(MQW)结构。
18.如权利要求15所述的VCSEL器件，其特征在于，所述第一层的边和所述第二层的边沿着沿着大致垂直于所述衬底的方向排列。
19.如权利要求15所述的VCSEL器件，其特征在于，外延层之间的所有氧化层都比第二反射器区的上部更靠近有源区。
20.如权利要求15所述的VCSEL器件，还包括外延层之间的少于十层的氧化层。
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