CN1547297A - 内腔接触式垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种内腔接触式垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法，属半导体光电子领域。结构包括从上往下排列的上分布布拉格反射镜1，欧姆接触层4，Al_xGa_1－xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5，有源区单元7，下分布布拉格反射镜8，缓冲层9，衬底10和n型电极11，特征在于：在上分布布拉格反射镜1和欧姆接触层4之间设置有腐蚀停层2及Al_xGa_1－xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5和有源区单元7中的p型限制层12之间设置有相位补偿层6。制备方法特征在于：用选择性腐蚀方法腐蚀上分布布拉格反射镜1至腐蚀停层2，分别腐蚀腐蚀停层2、欧姆接触层4和Al_xGa_1－xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5到相位补偿层6，其余采用常规技术。本结构可用传统的半导体化学湿法腐蚀工艺制备，降低成本，提高器件的性能，可靠性和生产效率。

Description

内腔接触式垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法

技术领域：

内腔接触式垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法属半导体光电子技术领域，涉及一种垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法。

背景技术：

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是一种由多层半导体材料构成的，从表面出射激光的光学器件，主要由上、下分布布拉格反射镜(DBR)和夹在中间的有源区三大部分构成，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。通常人们在研究垂直腔面发射激光器的物理特性时，主要采用Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)选择性湿氮氧化内腔接触式器件结构，如图1所示，即将掩埋在有源区和上分布布拉格反射镜之间的Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)层的侧壁暴露，在高温、N₂携带的水汽中氧化，通过控制氧化时间控制氧化厚度，在中心留有一定尺寸的未氧化的孔径，周围形成绝缘的，折射率降低的氧化物，有效的对电和光进行限制。电流通过电极经过未氧化的孔径注入到有源区，发出激光。

为提高器件性能，需将掩埋在上分布布拉格反射镜和有源区之间的Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)层的侧壁暴露出来，进行选择性湿氮氧化。由于Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)层距离器件的外延上表面约3～5μm，人们必须采用精确的刻蚀技术将Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)层的侧壁暴露出来，而且对于内腔接触式的垂直腔面发射激光器，还需将欧姆接触层暴露并制备出具有一定面积的，平整光滑的用于欧姆接触的表面。实现这一目的依赖于半导体制造技术中的两种腐蚀工艺——化学湿法腐蚀和干法腐蚀，即等离子体刻蚀。常用的干法刻蚀系统有感应耦合等离子体(ICP)刻蚀机，反应离子刻蚀机(RIE)等。内腔接触式垂直腔面发射激光器的制备也主要采用于法刻蚀技术，特别是上分布布拉格反射镜的刻蚀，如图2所示，首先采用干法腐蚀技术刻蚀上分布布拉格反射镜1至欧姆接触层4上方用于制备欧姆接触，再采用干法刻蚀技术刻蚀欧姆接触层4和Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5，将Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5侧壁暴露然后进行氧化，p型欧姆接触电极制备完成后，背面减薄、抛光，再制备n型电极，合金后解理，得到内腔接触式垂直腔面发射激光器件。

但是干法刻蚀系统不仅非常昂贵，而且刻蚀的侧壁、表面微观上粗糙，对有源区有较大的轰击损伤，会引起较大的光学和电学损耗，降低器件效率。还有，干法刻蚀的技巧性较高，影响因素多，不易掌握，容易出现多种不利于器件制备的工艺现象。图4显示了放大倍数为4万倍的ICP刻蚀GaN材料刻蚀界面的扫描电子显微镜(SEM)测试结果，明显的可从测试结果中看出刻蚀的表面粗糙，且高低起伏不平整，粗糙的表面必然会影响良好的欧姆接触的制备，导致降低垂直腔面发射激光器的器件性能，如欧姆接触电阻增大，可靠性降低，反向漏电流增大等。化学湿法腐蚀虽然成本低，对侧壁和有源区引起的损耗小，但其缺点是无法控制腐蚀表面宏观的平整度(通常腐蚀1μm的深度，表面会有约200～300nm的高低起伏差，一般通过人眼观察样品颜色的均匀性就能判断腐蚀的宏观均匀性)。

除去干法、化学湿法刻蚀很难分别在微观、宏观上得到均匀的刻蚀表面外，两种腐蚀方法均无精确的深度控制技术，随着样品的改变，周围环境的改变，腐蚀速率在不断的变化。为得到基本相同的腐蚀深度，需要对同一样品做大量的实验。若腐蚀深度过深，则可能破坏有源区，降低器件性能和可靠性；若腐蚀深度过浅，则不能充分的将Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)层暴露出来，不能进行有效的Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)氧化工艺，有效的进行光学和电学限制。对于内腔接触式结构的垂直腔面发射激光器，由于需要通过刻蚀暴露的表面是欧姆接触层的表面，如果刻蚀表面不平整，即可能有些地方还未到欧姆接触层，有些地方已将欧姆接触层腐蚀过，这些地方不仅均不能得到良好的欧姆接触，引起较大的串联电阻，使得器件发热严重，效率降低，而且制备出的器件均匀性差，成品率低。

因此，尽管干法刻蚀系统昂贵，干法刻蚀技术存在这种那种问题，也尽管传统的化学湿法腐蚀有着简单方便等优点，但是由于传统的化学湿法腐蚀无法得到精确的腐蚀深度和平整的腐蚀表面，无法实现内腔接触式垂直腔面发射激光器的制备。相对于湿法腐蚀技术，人们还是选择昂贵的干法刻蚀系统。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种内腔接触式垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法，将传统的半导体工艺技术——化学湿法腐蚀技术运用到内腔接触式垂直腔面发射激光器的的制备中，而可以不使用昂贵的干法刻蚀系统，大大降低垂直腔面发射激光器的制作成本，同时由于运用精确控制腐蚀深度的方法，能够保证获得平整度为原子量级的、光亮的腐蚀表面；化学湿法腐蚀比干法刻蚀对电学和光学特性损伤小，能够提高器件的性能和可靠性；由于干法刻蚀机通常需要抽真空，而化学湿法腐蚀操作起来简单易行，省时间，本发明提供的方法和结构有利于提高生产效率。

本发明提供的一种内腔接触式垂直腔面发射激光器的结构，其结构如图5所示，包括有依次纵向层叠从上往下排列的上分布布拉格反射镜1，欧姆接触层4，Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5，有源区单元7，下分布布拉格反射镜8，缓冲层9，衬底10和n型电极11，其中欧姆接触层4上设置有p型欧姆接触电极3，有源区单元7由自上而下依次排列的p型限制层12、增益区13、n型限制层14所构成，特征在于在上分布布拉格反射镜1和欧姆接触层4之间设置有腐蚀停层2及Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5和有源区单元7中的p型限制层12之间设置有相位补偿层6。

本发明中要求腐蚀停层2、欧姆接触层4、Al_0.98Ga_0.02As湿氮氧化层5和相位补偿层6总光学厚度满足 的整数倍，其中λ为垂直腔面发射激光器激射波长。

本发明中腐蚀停层2要求分别与其上下相邻的上分布布拉格反射镜1和欧姆接触层4的材料具有选择性腐蚀，相位补偿层6要求与其上相邻的Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5具有选择性腐蚀。选择性腐蚀是指某种化学腐蚀液对一种材料腐蚀速率很高，而对另外的一种材料腐蚀速率很低，基本认为在短时间内不腐蚀该种材料，因此当该种腐蚀液将前一种材料腐蚀完后，基本到达两种材料的生长界面。由于现代的材料生长技术保证了原子量级的生长界面，如金属有机气相化学淀积(MOCVD)或者分子束外延(MBE)，所以腐蚀界面的平整度为原子量级的平整度。

本发明中上分布布拉格反射镜1、腐蚀停层2、欧姆接触层4、Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5和相位补偿层6的顺序生长结构使得上分布布拉格反射镜1与腐蚀停层2之间，腐蚀停层2与欧姆接触层4之间，欧姆接触层4与Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5之间，Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5与相位补偿层6之间均存在选择型腐蚀，保证了Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5的侧壁能够重复的，充分的暴露，保证了欧姆接触层原子量级的平整度。

本发明中有源区单元7中增益区13的结构可为PN结，或PIN结，或双异质结构，或单量子阱结构，或多量子阱结构，或多有源区级联结构，或量子点发光结构。

本发明采用的上分布布拉格反射镜1和下分布布拉格反射镜8结构均是由多对两种具有高、低折射率的半导体材料，或者在这两种高低折射率材料之间有过渡层的多种半导体材料交替生长组成。分布布拉格反射镜材料可以是半导体材料，由金属有机气相化学淀积或者分子束外延生长方法完成，也可是两种折射率差较大的介质材料，由蒸发或者溅射等淀积方法完成。上分布布拉格反射镜1和下分布布拉格反射镜8可以进行掺杂。

本发明中衬底10可以是GaAs和InP衬底，缓冲层9相应的为GaAs或者InP材料。

本发明通过在p型欧姆接触电极3和n型欧姆接触电极11间通电流，获得激光输出。

本发明提出的内腔接触式垂直腔面发射激光器的制备方法思路，采用选择性腐蚀方法湿法腐蚀上分布布拉格反射镜1至腐蚀停层2，再分别腐蚀腐蚀停层2、欧姆接触层4和Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5到相位补偿层6，然后进行湿氮氧化。

本发明提供的一种内腔接触式垂直腔面发射激光器结构的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)采用现有技术中的金属有机化学气相淀积(MOCVD)方法或者分子束外延(MBE)方法在衬底10上依次外延生长缓冲层9，下分布布拉格反射镜7，n型限制层14，增益区13，p型限制层12，相位补偿层6，Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5，欧姆接触层4，腐蚀停层2，上分布布拉格反射镜1；

(2)采用现有技术光刻、腐蚀出欧姆接触层的形状和尺寸，采用具有选择性腐蚀的腐蚀液，腐蚀上分布布拉格反射镜1到腐蚀停层2；

(3)换用仅腐蚀腐蚀停层2材料的腐蚀液腐蚀腐蚀停层2至欧姆接触层4，用于制备p型欧姆接触电极3；

(4)换用对欧姆接触层4和Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5具有选择性腐蚀的腐蚀液腐蚀欧姆接触层4；

(5)换用对Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5和相位补偿层6具有选择性腐蚀的常规腐蚀液腐蚀Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5并暴露出侧壁，用于氧化以形成氧化孔径；

(6)进行常规的湿氮氧化工艺步骤，形成2～50μm尺寸的氧化孔径。

(7)通过蒸发或溅射的方法制备出p型欧姆接触电极3，再通过机械化学腐蚀的方法减薄，再在衬底10上蒸发或溅射上n型欧姆接触电极11；

(8)进行常规p型欧姆接触电极3和n型欧姆接触电极11合金；

(9)进行常规解理工艺，得到本发明的内腔接触式垂直腔面发射激光器。

本发明在内腔接触式垂直腔面发射激光器件外延材料中引入上分布布拉格反射镜1、腐蚀停层2、欧姆接触层4、Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5、p型限制层12和相位补偿层6的顺序生长结构，由于各层之间存在选择性腐蚀，使得在内腔接触式垂直腔面发射激光器件制备过程中，能够分别的将上分布布拉格反射镜1、腐蚀停层2、欧姆接触层4、Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层5、p型限制层12和相位补偿层6逐层腐蚀至所需要的界面，不仅获得原子量级平整度的腐蚀表面，而且能够精确的控制腐蚀深度，对有源器件的损耗小。如图3所示，并与图2所示的现有技术相对比，本发明提出的内腔接触式垂直腔面发射激光器的制备方法不同于现有器件制备技术，可完全采用湿法腐蚀，而且能够精确的控制腐蚀深度。

本发明具有的效果是可完全采用传统的半导体化学湿法腐蚀工艺制备，大大降低生产成本，同时提高器件的性能和可靠性，提高生产效率。

附图说明：

图1：现有技术中内腔接触式垂直腔面发射激光器器件制备层结构示意图。

图中：1、上分布布拉格反射镜，3、p型欧姆接触电极，4、欧姆接触层，5、Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层，7、有源区单元，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，12、p型限制层，13、单量子阱、多量子阱或量子点结构的增益区，14、n型限制层。

图2：现有技术中内腔接触式垂直腔面发射激光器的常规制备方法，DBR表示分布布拉格反射镜。

图3：本发明提出的内腔接触式垂直腔面发射激光器的制备方法，DBR表示分布布拉格反射镜。

图4：放大倍数为4万倍的感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀机刻蚀界面的扫描电子显微镜(SEM)测试结果。

图5：本发明中设计的内腔接触式垂直腔面发射激光器器件制备层结构示意图。

图中：1、上分布布拉格反射镜，2、腐蚀停层，3、p型欧姆接触电极，4、欧姆接触层，5、Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层，6、相位补偿层，7、有源区单元，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，12、p型限制层，13、单量子阱、多量子阱或量子点结构的增益区，14、n型限制层。

图6：本发明实施方式的内腔接触式垂直腔面发射激光器结构层示意图。

具体实施方式：

一、如图6所示，采用精确控制深度腐蚀法内腔接触式垂直腔面发射激光器器件实现方法如下：

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GaAs/AlAs下分布布拉格反射镜8，Al_xGa_1-xAs(x＜0.5)n型限制层14，GaAs/InGaAs多量子阱结构增益区13，Al_xGa_1-xAs(x＜0.5)p型限制层12，Al_xGa_1-xAs(x＜0.3)相位补偿层6，Al_0.98Ga_0.02As湿氮氧化层5，GaAs欧姆接触层4，GaInP腐蚀停层2，20对GaAs/AlAs上分布布拉格反射镜1。

2.采用卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，光刻出掩膜图形并定义GaAs欧姆接触层的形状和尺寸。采用H₂SO₄、H₂O₂、H₂O或者H₃PO₄、H₂O₂、CH₃OH腐蚀液，腐蚀上分布布拉格反射镜1到腐蚀停层2。由于腐蚀过程中分布布拉格反射镜1厚度的变化反应为颜色的变化，通过观察颜色变化直到腐蚀界面的颜色不再发生变化说明上分布布拉格反射镜1腐蚀完成，腐蚀界面到腐蚀停层2。上述腐蚀液对分布布拉格反射镜1材料的腐蚀速率远远大于对GaInP材料的腐蚀速率，具有很高的腐蚀选择比，因此能够精确控制腐蚀深度。

3.换用HCl腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停层2至GaAs欧姆接触层4，用于制备p型欧姆接触电极3。HCl腐蚀液对腐蚀停层2 GaInP材料的腐蚀速率远远大于对欧姆接触层4GaAs材料的腐蚀速率，能够保证GaAs欧姆接触层的平整性。

4.换用NH₄OH、H₂O₂、H₂O或者柠檬酸、H₂O₂、CH₃OH腐蚀液腐蚀GaAs欧姆接触层2。NH₄OH、H₂O₂、H₂O和柠檬酸、H₂O₂、CH₃OH腐蚀液对欧姆接触层4 GaAs材料的腐蚀速率远远大于对湿氮氧化层5Al_0.98Ga_0.02As材料的腐蚀速率。

5.换用NHF、HF、H₂O的腐蚀液腐蚀Al_0.98Ga_0.02As湿氮氧化层5并暴露出侧壁，用于氧化以形成氧化孔径。NHF、HF、H₂O的腐蚀液对Al_0.98Ga_0.02As材料的腐蚀速率远远大于对材料Al_xGa_1-xAs(x＜0.3)相位补偿层6的腐蚀速率，保证了Al_0.98Ga_0.02As湿氮氧化层5侧壁能够重复的并充分的暴露。为得到良好的器件性能，湿氮氧化限制垂直腔面发射激光器的氧化孔径的尺寸，本领域一般采用2～50μm。

6.进行常规的湿氮氧化工艺步骤，形成10μm的氧化孔径。

7.然后通过蒸发或溅射的方法制备出p型欧姆接触电极Ti/Pt/Au2，再通过机械化学腐蚀的方法减薄至100μm，再在衬底10上蒸发或溅射上Au/Ge/Ni/Aun型欧姆接触电极11。

8.将上述样品放入500℃的高温炉中，通入N₂，5分钟，将淀积的p型和n型欧姆接触电极合金。

9.解理，得到分离的本发明的内腔接触式垂直腔面发射激光器。

Claims (4)

1、一种内腔接触式垂直腔面发射激光器的结构，如图5所示，包括有依次纵向层叠从上往下排列的上分布布拉格反射镜(1)，欧姆接触层(4)，Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(5)，有源区单元(7)，下分布布拉格反射镜(8)，缓冲层(9)，衬底(10)和n型电极(11)，其中欧姆接触层(4)上设置有p型欧姆接触电极(3)，有源区单元(7)由自上而下依次排列的p型限制层(12)、增益区(13)、n型限制层(14)所构成，其特征在于：在上分布布拉格反射镜(1)和欧姆接触层(4)之间设置有腐蚀停层(2)及Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(5)和有源区单元(7)中的p型限制层(12)之间设置有相位补偿层(6)。

2、根据权利要求1所述的内腔接触式垂直腔面发射激光器的结构，其中腐蚀停层(2)、

欧姆接触层(4)、湿氮氧化层(5)和相位补偿层(6)总光学厚度满足

的整数倍，

λ为垂直腔面发射激光器激射波长。

3、根据权利要求1所述的内腔接触式垂直腔面发射激光器的结构，其中腐蚀停层(2)的材料要求分别与其上下相邻的上分布布拉格反射镜(1)和欧姆接触层(4)的材料具有选择性腐蚀，相位补偿层(6)的材料要求与其上相邻的Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(5)的材料具有选择性腐蚀。

4、一种内腔接触式垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)采用现有技术中的金属有机化学气相淀积方法或分子束外延方法在衬底(10)上依次外延生长缓冲层(9)，下分布布拉格反射镜(7)，n型限制层(14)，增益区(13)，p型限制层(12)，相位补偿层(6)，Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(5)，欧姆接触层(4)，腐蚀停层(2)，上分布布拉格反射镜(1)；

(2)采用现有技术光刻、腐蚀出欧姆接触层(4)的形状和尺寸；

(3)采用选择性腐蚀方法，湿法腐蚀上分布布拉格反射镜(1)至腐蚀停层(2)；

(4)采用选择性腐蚀方法，换用仅腐蚀腐蚀停层(2)材料的腐蚀液腐蚀腐蚀停层(2)至欧姆接触层(4)；

(5)采用选择性腐蚀方法，换用对欧姆接触层(4)和Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层

(5)具有选择性腐蚀的腐蚀液腐蚀欧姆接触层(4)；

(6)采用选择性腐蚀方法，换用对Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(5)和相位补偿层(6)具有选择性腐蚀的常规腐蚀液腐蚀Al_xGa_1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(5)并暴露出侧壁；

(7)进行常规的湿氮氧化工艺，形成氧化孔径；

(8)常规制备p型欧姆接触电极(3)，减薄；在衬底(10)上常规蒸发或溅射上n型欧姆接触电极(11)；进行常规p型欧姆接触电极(3)和n型欧姆接触电极(11)合金；进行常规解理，得到本发明的内腔接触式垂直腔面发射激光器。

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