CN1556563A - 空气柱型垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种空气柱型垂直腔面发射激光器的结构及其制备方法，属于半导体光电子领域。结构包括从上往下排列的p型欧姆接触层1，上分布布拉格反射镜2，AlxGa1－xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4，有源区单元6，下分布布拉格反射镜7，缓冲层8，衬底9和n型电极10，特征在于：上分布布拉格反射镜2和AlxGa1－xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4之间有腐蚀停层3及AlxGa1－xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4和有源区单元6中的p型限制层11之间设置有相位补偿层5。制备方法特征在于：采用选择性腐蚀方法湿法腐蚀上分布布拉格反射镜2至腐蚀停层3，再分别采用选择性湿法腐蚀腐蚀停层3和AlxGa1－xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4到相位补偿层5，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，降低成本，提高器件的性能，可靠性和生产效率。
Description
技术领域：
空气柱型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。空气柱型垂直腔面发射激光器结构，如图1所示，具有工艺结构简单，成本低等优点，为大多数产品所采用。其工艺制备流程如图2所示，首先采用干法或湿法腐蚀技术腐蚀上分布布拉格反射镜2，将掩埋在有源区单元6和上分布布拉格反射镜2之间的AlxGa1-xAs(x≥0.9)层4的侧壁暴露，置于高温、N2携带的水汽中，通过控制氧化时间控制氧化厚度，在AlxGa1-xAs(x≥0.9)层4的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，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，得到空气柱型结构的垂直腔面发射激光器件。电流通过电极经过未氧化的孔径注入到有源区，发出激光。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。
然而等离子干法刻蚀和化学湿法腐蚀方法本身对于制备空气柱型垂直腔面发射激光器具有以下几个缺点：
1.等离子干法刻蚀和化学湿法腐蚀两种方法均无法精确的控制腐蚀深度。
通常腐蚀速率是个经验值，研究人员在进行大量的实验摸索后，通过测量一定时间内腐蚀深度换算成有一定误差的腐蚀速率。腐蚀速率是有一定范围的，不是精确值，而且随着周围环境的变化，腐蚀速率也随之变化，因此实验中往往得不到精确设计的腐蚀深度。腐蚀深度过浅，不能实现AlxGa1-xAs(x≥0.9)层4的湿氮氧化工艺；腐蚀深度过深，将破坏有源区单元6，影响垂直腔面发射激光器的性能和寿命。
2.两种方法均无法获得平整的腐蚀表面。
根据等离子干法刻蚀的工作原理，除去等离子体和刻蚀材料之间的化学反应外，还有原子对刻蚀表面的轰击作用。由于原子间相互碰撞，加之这种轰击作用对表面的状况敏感，如掩膜的边缘，表面的残留物等，刻蚀的表面粗糙。图3显示了放大倍数为3.265万倍的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。这种不平整将引起较大的光学散射损耗，反向漏电流增大等。同时由于物理轰击作用，对有源区单元6损伤较大，降低器件的光学效率。
化学湿法腐蚀虽然成本低，对侧壁和有源区引起的光学散射损耗小，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，这种现象通过人眼观察样品颜色的均匀性就能容易的判断腐蚀的宏观均匀性。
还有，干法刻蚀系统存在昂贵，成本高，需要抽真空，工艺流程长，干法刻蚀技术难度大，难掌握等问题。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种空气柱型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空气柱型垂直腔面发射激光器的制备中，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。
本发明提供的一种空气柱型垂直腔面发射激光器的结构，其结构如图4所示，包括有依次纵向层叠从上往下排列的p型欧姆接触层1，上分布布拉格反射镜2，AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4，有源区单元6，下分布布拉格反射镜7，缓冲层8，衬底9和n型电极10，其中有源区单元6由自上而下依次排列的p型限制层11、增益区12、n型限制层13所构成，特征在于在上分布布拉格反射镜2和AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4之间设置有腐蚀停层3及AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4和有源区单元6中的p型限制层11之间设置有相位补偿层5。
本发明中要求腐蚀停层3、Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层4和相位补偿层5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3要求分别与其上下相邻的上分布布拉格反射镜2和Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层4的材料具有选择性腐蚀，相位补偿层5要求与其上相邻的AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4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2、腐蚀停层3、AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4和相位补偿层5的顺序生长结构使得上分布布拉格反射镜2与腐蚀停层3之间，腐蚀停层3与AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4之间，AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4与相位补偿层5之间均存在选择性腐蚀，保证了AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4的侧壁能够重复的，充分的暴露，保证了工艺的重复性。
本发明中有源区单元6中增益区12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2和下分布布拉格反射镜7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2和下分布布拉格反射镜7可以进行掺杂。
本发明中衬底9可以是GaAs和InP衬底，缓冲层8相应的为GaAs或者InP材料。
本发明通过在p型欧姆接触电极1和n型欧姆接触电极10间通电流，获得激光输出。
本发明提出的空气柱型垂直腔面发射激光器的制备方法思路，如图5所示，首先采用选择性腐蚀方法湿法腐蚀上分布布拉格反射镜2至腐蚀停层3，再分别采用选择性湿法腐蚀腐蚀停层3和AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4到相位补偿层5，然后进行湿氮氧化，在p型欧姆接触电极制备完成后，减薄，抛光，制备n型欧姆接触电极，合金，解理，得到空气柱型垂直腔面发射激光器。
本发明提供的一种空气柱型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9上依次外延生长缓冲层8，下分布布拉格反射镜7，n型限制层13，增益区12，p型限制层11，相位补偿层5，AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4，腐蚀停层3，上分布布拉格反射镜2；
(2)采用现有技术光刻、腐蚀出上分布布拉格反射镜2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2到腐蚀停层3；
(3)换用仅腐蚀腐蚀停层3材料的腐蚀液腐蚀腐蚀停层3至AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4；
(4)换用对AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4和相位补偿层5具有选择性腐蚀的常规腐蚀液腐蚀AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4并暴露出侧壁，用于氧化以形成氧化孔径；
(5)进行常规的湿氮氧化工艺步骤，形成2～50μm尺寸的氧化孔径；
(6)通过蒸发或溅射的方法制备出p型欧姆接触电极1，再通过机械化学腐蚀的方法减薄，再在衬底9上蒸发或溅射上n型欧姆接触电极10；
(7)进行常规p型欧姆接触电极1和n型欧姆接触电极10合金；
(8)进行常规解理工艺，得到本发明的空气柱型垂直腔面发射激光器。
本发明在空气柱型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2、腐蚀停层3、AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4和相位补偿层5的顺序生长结构，由于各层之间存在选择性腐蚀，使得在空气柱型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2、腐蚀停层3、和AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4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5所示，并与图2所示的现有技术相对比，本发明提出的空气柱型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空气柱型垂直腔面发射激光器，重复性的获得精确的腐蚀深度，充分的将AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层4侧壁暴露，从而保证了湿氮氧化工艺的重复性；同时大大降低生产成本，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：现有技术中空气柱型垂直腔面发射激光器器件制备层结构示意图。
图中：1、p型欧姆接触电极，2、上分布布拉格反射镜，4、AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层，6、有源区单元，7、下分布布拉格反射镜，8、缓冲层，9、衬底，10、n型欧姆接触电极，11、p型限制层，12、单量子阱、多量子阱或量子点结构的增益区，13、n型限制层。
图2：现有技术中空气柱型垂直腔面发射激光器的常规制备方法。
图3：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4：本发明中设计的空气柱型垂直腔面发射激光器器件制备层结构示意图。
图中：1、p型欧姆接触电极，2、上分布布拉格反射镜，3、腐蚀停层，4、AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层，5、相位补偿层，6、有源区单元，7、下分布布拉格反射镜，8、缓冲层，9、衬底，10、n型欧姆接触电极，11、p型限制层，12、单量子阱、多量子阱或量子点结构的增益区，13、n型限制层。
图5：本发明提出的空气柱型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6：本发明实施方式的空气柱型垂直腔面发射激光器结构层示意图。
具体实施方式：
如图6所示，采用精确控制深度腐蚀法空气柱型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9上依次外延生长GaAs缓冲层8，28对GaAs/AlAs下分布布拉格反射镜7，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制层13，GaAs/InGaAs多量子阱结构增益区12，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制层11，AlxGa1-xAs(x＜0.3)相位补偿层5，Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层4，GaInP腐蚀停层3，20对GaAs/AlAs上分布布拉格反射镜2。
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2到腐蚀停层3。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2腐蚀完成，腐蚀界面到腐蚀停层3。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.用HCl腐蚀液腐蚀GaInP腐蚀停层3至Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层4界面。HCl腐蚀液对腐蚀停层3 GaInP材料的腐蚀速率远远大于对Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层4材料的腐蚀速率。
4.换用NHF、HF、H2O的腐蚀液腐蚀Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层4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Al0.98Ga0.02As材料的腐蚀速率远远大于对材料AlxGa1-xAs(x＜0.3)相位补偿层5的腐蚀速率，保证了Al0.98Ga0.02As湿氮氧化层4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。
5.进行常规的湿氮氧化工艺步骤，形成10μm的氧化孔径。
6.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/Au 2，再通过机械化学腐蚀的方法减薄至100μm，再在衬底9上蒸发或溅射上Au/Ge/Ni/Au n型欧姆接触电极10。
7.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。
8.解理，得到分离的本发明的空气柱型垂直腔面发射激光器。
Claims (4)
1、一种空气柱型垂直腔面发射激光器的结构，如图4所示，包括有依次纵向层叠从上往下排列的p型欧姆接触层(1)，上分布布拉格反射镜(2)，AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(4)，有源区单元(6)，下分布布拉格反射镜(7)，缓冲层(8)，衬底(9)和n型电极(10)，其中有源区单元(6)由自上而下依次排列的p型限制层(11)、增益区(12)、n型限制层(13)所构成，其特征在于，在上分布布拉格反射镜(2)和AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(4)之间设置有腐蚀停层(3)，以及AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(4)和有源区单元(6)中的p型限制层(11)之间设置有相位补偿层(5)。
2、根据权利要求1所述的空气柱型垂直腔面发射激光器的结构，其中腐蚀停层(3)、湿氮氧化层(4)和相位补偿层(5)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所述的空气柱型垂直腔面发射激光器的结构，其中腐蚀停层(3)的材料要求分别与其上下相邻的上分布布拉格反射镜(2)和AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(4)的材料具有选择性腐蚀，相位补偿层(5)的材料要求与其上相邻的AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(4)的材料具有选择性腐蚀。
4、一种空气柱型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(MOCVD)方法或者分子束外延(MBE)方法在衬底(9)上依次外延生长缓冲层(8)，下分布布拉格反射镜(7)，n型限制层(13)，增益区(12)，p型限制层(11)，相位补偿层(5)，AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(4)，腐蚀停层(3)，上分布布拉格反射镜(2)；
(2)、采用现有技术光刻、腐蚀出上分布布拉格反射镜(2)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(2)到腐蚀停层(3)；
(3)、换用仅腐蚀腐蚀停层(3)材料的腐蚀液腐蚀腐蚀停层(3)至AlxGa1-xAs(x≥O.9)湿氮氧化层(4)；
(4)、换用对AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(4)和相位补偿层(5)具有选择性腐蚀的常规腐蚀液腐蚀AlxGa1-xAs(x≥0.9)湿氮氧化层(4)并暴露出侧壁，用于氧化以形成氧化孔径；
(5)、进行常规的湿氮氧化工艺步骤，形成2～50μm尺寸的氧化孔径；
(6)、通过蒸发或溅射的方法制备出p型欧姆接触电极(1)，再通过机械化学腐蚀的方法减薄，再在衬底(9)上蒸发或溅射上n型欧姆接触电极(10)；
(7)、进行常规p型欧姆接触电极(1)和n型欧姆接触电极(10)合金；
(8)、进行常规解理工艺，得到本发明的空气柱型垂直腔面发射激光器。
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| CN111342344A (zh) * | 2018-12-18 | 2020-06-26 | 山东华光光电子股份有限公司 | 一种光子晶体大功率激光器及其制备方法 |
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2003
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