CN1305191C - 三轴自对准法制备内腔接触式垂直腔面发射激光器 - Google Patents
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Abstract
三轴自对准方法制备的垂直腔面发射激光器属半导体光电子技术领域。流程如图3-1～9所示，各步骤均用常规技术，包括以下步骤：光刻；采用光刻胶做掩膜，腐蚀上分布布拉格反射镜1到欧姆接触层3，并呈双沟状；淀积p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au 2；剥离，只在欧姆接触层3上留有Ti/Pt/Au；套刻；光刻胶和p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au 2共同作为掩膜，分别向下腐蚀无掩膜保护的上分布布拉格反射镜1和欧姆接触层3、AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4；去掉光刻胶；湿氮氧化，控制氧化时间，形成氧化孔径；将样品减薄，抛光，制备n型欧姆接触电极11。本发明使得光刻精度低的光刻机，也能获得三轴对准的垂直腔面发射激光器器件，提高生产效率，降低生产成本。
Description
技术领域：
采用三轴自对准方法制备的垂直腔面发射激光器(VCSEL)，属于半导体光电子技术领域，涉及VCSEL的制备工艺流程。
背景技术：
垂直腔面发射激光器(VCSEL)由于其特有的物理结构，具有纵模间距大，圆形光斑，易与光纤耦合，易形成二维面阵等优点，在光通讯，光互联，和光计算中发挥着越来越重要的作用。
垂直腔面发射激光器通常主要由上、下分布布拉格反射镜(DBR)和夹在中间的有源区构成，其中分布布拉格反射镜是由两种或者多种折射率不同的半导体或者介质材料周期性交替生长构成。有源区提供光增益，上、下分布布拉格反射镜提供反馈，并形成谐振腔。
为研究垂直腔面发射激光器的物理特性，人们通常采用AlxGa1-xAs(x≥0.9)选择性湿氮氧化内腔接触式器件结构，如图1(a)所示，。选择性湿氮氧化工艺的引入大大提高了器件性能，如提高量子效率、降低阈值电流、有效的对电和光进行限制的一种技术，即将掩埋在有源区和上分布布拉格反射镜之间的AlxGa1-xAs(x≥0.9)层的侧壁暴露，在高温、N2携带的水汽中氧化，形成绝缘的，折射率降低的氧化物。通过控制氧化时间，控制氧化的厚度，从而控制电流注入的孔径。电流通过在上分布布拉格反射镜和有源区之间的欧姆接触电极，经过未氧化的AlxGa1-xAs(x≥0.9)层，注入到有源区，有源区中发射的激光通过上分布布拉格反射镜顶出射到表面。
实际上，对于内腔接触式垂直腔面发射激光器的器件结构，存在三个轴，如与图1(a)剖面示意图对应的图1(b)立体示意图所示，即由上分布布拉格反射镜1形成的轴A、环形欧姆接触电极2形成的轴B和AlxGa1-xAs(x≥0.9)选择性湿氮氧化层4形成的C。良好的器件工艺应能保证这三个轴一一对准、三个轴共轴，其中任何一个孔偏离轴心，将会降低器件的性能。如若上分布布拉格反射镜1形成的轴A出光孔偏离轴心，则有可能使得有源区中产生的光完全或者部分的得不到上分布布拉格反射镜提供的反馈，使得平均反射率降低，增益减小，阈值增大，输出功率降低；若环形欧姆接触电极2形成的轴B偏离轴心，则使得电极到氧化孔径的距离在空间上不均匀，电阻不均匀，注入到有源区中的电流密度不均匀，影响模式特性，并易出现跳模现象；若AlxGa1-xAs(x≥0.9)选择性湿氮氧化层4形成的轴C偏离轴心，则同时引起光增益减小和有源区中电流密度分布不均匀的现象。因此，为得到良好的器件性能，如何得到良好的内腔接触式垂直腔面发射激光器的工艺制备是科研人员的重要研究内容。
目前人们借助昂贵的、精确控制的光刻系统(如Karl Suss单面光刻机需要约15～20万欧元)和丰富的光刻经验，经过多次光刻、多次腐蚀制备出内腔接触式垂直腔面发射激光器器件。图2给出了目前常用的一种器件制备工艺流程，首先如图2(a)所示，采用光刻胶作为掩膜，腐蚀上分布布拉格反射镜1至欧姆接触层3，并腐蚀出一定面积的欧姆接触层；然后如图2(b)所示，套刻，并采用光刻胶为掩膜，腐蚀欧姆接触层3和AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4，暴露出AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4的侧壁；继续采用套刻的方法，光刻出引线孔，制备p型电极。最后经过背面减薄、抛光，制备n型电极，如图2(c)所示。所谓套刻，是指通过调节在光刻机上旋钮，将样品上的图形和光刻版上的图形对准，在垂直腔面发射激光器的制备中，要求将每个轴的轴心对准。由于整个器件制备工艺中采用了3次精确套刻，即使操作人员有丰富的光刻经验，但是受到光刻机光刻精度的限制(目前世界上最好的光刻机之一，Karl Suss光刻机的套刻精度为0.5μm)和人眼视觉误差的限制，从理论上讲，无法精确的做到、并且重复的做到三轴完全对准。三个轴不能每次完全对准，根据上述分析，必然会导致器件性能下降，和器件制备工艺的不重复性。在大生产中，这种不重复性是降低成品率的关键因素之一。因此各个单位为提高成品率，一是高薪聘请有丰富经验的光刻人员，而是购买昂贵的高精度的光刻系统，以提高产品的成品率。
发明内容
本发明的目的是提供一种三轴自对准法制备内腔接触式垂直腔面发射激光器的工艺流程，即使使用国产的，光刻精度低的光刻机，也能够重复的获得三轴对准的垂直腔面发射激光器器件，解决目前垂直腔面发射激光器器件工艺制备中存在的三轴不能重复的完全对准的问题，提高生产效率，降低生产成本。
本发明涉及的内腔接触式垂直腔面发射激光器器件，其结构如图1(a)所示，包括有依次纵向层叠上分布布拉格反射镜1，p型欧姆接触电极2，欧姆接触层3，AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4，p型限制层5，有源区6，n型限制层7，下分布布拉格反射镜8，缓冲层9，衬底10和n型电极11构成。
本发明提出的三轴自对准法制备内腔接触式垂直腔面发射激光器制备流程如图3-1～9所示，各个步骤均采用常规技术，其特征在于，它包括以下步骤：
(1)在内腔接触式垂直腔面发射激光器样品表面光刻，如图3-1所示；
(2)采用光刻胶做掩膜，腐蚀上分布布拉格反射镜1到欧姆接触层3，腐蚀后的上分布布拉格反射镜1呈双沟状，如图3-2所示；
(3)在整个样品表面淀积p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au 2，如图3-3所示；
(4)剥离，只在欧姆接触层3上留有p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au 2，如图3-4所示；
(5)套刻，将光刻胶覆盖上分布布拉格反射镜1且光刻胶边缘不超过p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au 2的边缘，即只要将夹在双沟中间的上分布布拉格反射镜1上覆盖有掩膜材料即可，如图3-5所示；
(6)光刻胶和p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au2共同作为掩膜，分别向下腐蚀无掩膜保护的上分布布拉格反射镜1和欧姆接触层3、AlxGa1-xAs(x≥0.9)，湿氮氧化层4，如图3-6所示；
(7)去掉步骤(6)遗留的光刻胶，如图3-7所示；
(8)放到湿氮氧化炉中进行常规的AlxGa1-xAs(x≥0.9)，湿氮氧化，控制氧化时间，形成氧化孔径，如图3-8所示；
(9)将样品减薄，抛光，制备n型欧姆接触电极11，如图3-9所示。
本发明中提出的工艺流程，关键在于连续使用了两个自对准，不仅仅大大降低光刻的难度，而且从工艺设计上保证了轴A、B、C一一对准。
本发明中p型欧姆接触电极2的作用除去起到掩膜的作用，保证三轴共轴，同时在进行AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化工艺的同时金属化，与GaAs欧姆接触层3形成良好的欧姆接触。
本发明中对图3-5中光刻精度要求大大降低，只要求光刻胶将上分布布拉格反射镜1覆盖，且光刻胶边缘不超出两边p型欧姆接触电极2的最外边缘即可，大大降低光刻难度。
本发明给出的工艺流程与常用的工艺流程相比，不增加光刻次数，而且大大降低光刻精度的要求。
附图说明：
图1(a)：内腔接触型垂直腔面发射激光器器件结构剖面示意图：
图中：1、上分布布拉格反射镜，2、p型欧姆接触电极，3、欧姆接触层，4、AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层，5、p型限制层，6、单量子阱，或者多量子阱，或者量子点结构的有源区，7、n型限制层，8、下分布布拉格反射镜，9、缓冲层，10、衬底，11、n型欧姆接触电极。
图1(b)：与图1(a)对应的内腔接触型垂直腔面发射激光器器件结构立体示意图：
其中：1、上分布布拉格反射镜；2、p型欧姆接触电极；4、AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层；
图2：目前常用的内腔接触型垂直腔面发射激光器器件制备工艺流程示意图；
其中：(a)腐蚀上分布布拉格反射镜1至欧姆接触层3；(b)通过光刻腐蚀的方法暴露出AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4的侧壁；(c)AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4氧化形成一定尺寸的氧化孔径；(d)分别制备p型和n型欧姆接触电极2和11。
图3-1～9：本发明提出的内腔接触型垂直腔面发射激光器器件制备工艺流程示意图；
其中：
图3-1：光刻；
图3-2：腐蚀；
图3-3：淀积p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au 2；
图3-4：剥离；
图3-5：套刻；
图3-6：腐蚀；
图3-7：去胶；
图3-8：湿氮氧化；
图3-9：样品减薄，抛光，制备n型欧姆接触电极11。
具体实施方式：
如图3-1～9所示，其制备过程和方法如下：
1.采用普通金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法在n+-GaAs衬底10上依次外延生长GaAs缓冲层9，28对70nm GaAs/80nm Al0.9Ga0.1As下分布布拉格反射镜8，110nm AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制层7，10nmGaAs/8nm InGaAs多量子阱6，110nm AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制层5，80nmAl0.98Ga0.02As湿氮氧化层4，100nm GaAs欧姆接触层3，20对70nmGaAs/80nm Al0.9Ga0.1As上分布布拉格反射镜1，其中GaAs和Al0.9Ga0.1As分别为构成上、下分布布拉格反射镜的两种材料。
2.采用Karl Suss BJ3型光刻机，和正胶PR4200光刻胶，曝光、显影后在MOCVD生长样品表面形成如图3-1所示光刻胶图形。
3.采用传统的干法刻蚀技术(如ICP或者RIE)或者湿法化学腐蚀技术(如H2SO4、H2O2、H2O腐蚀液)腐蚀上分布布拉格反射镜1到GaAs欧姆接触层3，腐蚀图形的剖面示意图如3-2所示。
4.采用蒸发或者溅射的方法淀积欧姆接触电极2Ti/Pt/Au，如图3-3所示。
5.将样品放置在丙酮中，剥离光刻胶上的Ti/Pt/Au，只在欧姆接触层3上留下Ti/Pt/Au，如图3-4所示。这一工艺步骤属于自对准，保证了欧姆接触电极2与上分布布拉格反射镜1共轴。
6.套刻，使得光刻胶覆盖上分布布拉格反射镜1和部分p型欧姆接触电极2Ti/Pt/Au，如图3-5所示。此步骤要求只要将上分布布拉格反射镜1覆盖，且光刻胶边缘不超过p型欧姆接触电极2Ti/Pt/Au的外边缘即可，大大降低光刻精度。
7.光刻胶和欧姆接触电极2Ti/Pt/Au共同起掩膜作用，采用干法刻蚀或者湿法腐蚀技术，首先腐蚀无光刻胶保护的上分布布拉格反射镜1至欧姆接触层2，再腐蚀无Ti/Pt/Au保护的GaAs欧姆接触层2部分，和Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层4部分，将湿氮氧化层4的侧壁充分暴露。由于Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层4的圆柱是由欧姆接触层2Ti/Pt/Au起掩膜保护作用由腐蚀形成的，保证了与环形欧姆接触电极2共轴。
8.去掉光刻胶，如图3-7所示。
9.将清洗干净的样品置于由N2携带水汽进入350～500℃的湿氮氧化炉中，氧化50分钟，得到氧化孔径尺寸为10微米的样品，如图3-8所示。p型欧姆接触电极2在高温氧化炉中同时进行金属化，形成电阻小的p型欧姆接触电极。
10.将背面减薄、抛光，蒸发Au/Ge/Ni/Au，合金，形成n型欧姆接触电极，如图3-9所示。
Claims (1)
1、一种三轴自对准方法，用于制备内腔接触式垂直腔面发射激光器件，其特征在于，它包括以下步骤：
1)在内腔接触式垂直腔面发射激光器样品表面光刻；
2)采用光刻胶做掩膜，腐蚀上分布布拉格反射镜(1)到欧姆接触层(3)，腐蚀后的上分布布拉格反射镜(1)呈双沟状；
3)在整个样品表面淀积p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au(2)；
4)剥离，只在欧姆接触层(3)上留有p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au(2)；
5)套刻，将光刻胶覆盖上分布布拉格反射镜(1)且光刻胶边缘不超过p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au(2)的边缘，即只要将夹在双沟中间的上分布布拉格反射镜(1)上覆盖有掩膜材料即可；
6)光刻胶和p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au(2)共同作为掩膜，分别向下腐蚀无掩膜保护的上分布布拉格反射镜(1)和欧姆接触层(3)、AlxGa1-xAs湿氮氧化层(4)，其中x≥0.9；
7)去掉步骤6)遗留的光刻胶；
8)放到湿氮氧化炉中进行常规的AlxGa1-xAs湿氮氧化，其中x≥0.9，控制氧化时间，形成氧化孔径；
9)将样品减薄，抛光，制备n型欧姆接触电极(11)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070314 Termination date: 20100406 |