TWI497854B - 氧化侷限式面射型雷射製作方法 - Google Patents

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Description

氧化侷限式面射型雷射製作方法
本發明係為一種氧化侷限式(Oxide Vertical Cavity)面射型雷射(Vertical Surface-Emitting Laser；簡稱VCSEL)製作方法，尤指一種以低氧化速率的製程方式來減少氧化層形成時所造成對活化層的應力以提升雷射品質的一種氧化侷限式面射型雷射製作方法。
氧化侷限式面射型雷射(VCSEL)是藉由在一多層堆疊之磊晶基材表面先蝕刻形成若干凹穴後，再藉由氧化製程將凹穴內的其中一層加以氧化而定義出一雷射區域。然而，此一製程卻也造成一個缺點，使得外界水氣可能透過此凹穴進入而導致雷射作動失效。
經由實驗的分析得知，現有的氧化侷限式面射型雷射於高溫高濕及電流注入的混合測試時會有雷射元件光功率衰減與氧化層龜裂的情況，進而導致元件完全無光輸出的嚴重結果。經分析發現，水氣的滲入雷射活化區與氧化層的應力是雷射元件失效的主因。此乃因為水氣的滲入將導致其氧化層在長期操作下持續性地發生氧化反應；而氧化層在習知氧化製程所慣用的氧化速率(一般均大於0.4μm/min)下很容易產生應力集中於其接觸面上進而產生點狀瑕疵，這些點狀瑕疵在長期操作下將會導致氧化層的龜裂現象。習知技術中雖然有從雷射磊晶層中加入可抵銷氧化層的應力設計與優化雷射光窗上保護膜的設計。然而，這些習知技術大多牽涉到額外或是複雜的製程，相對地也提高了面射型雷射製程技術的困難度及生產成本。
本發明的主要目的係在於提供一種氧化侷限式面射型雷射之製作方法，可藉由在現有製程中藉由控制低氧化速率來減少氧化層應力，並搭配雷射光窗上之保護層來阻止外界水氣的入侵，以達到可抗高溫高濕環境的雷射元件。
為達上述之目的，本發明提供一種氧化侷限式面射型雷射製作方法，其包括有：提供一雷射晶片基材，於該雷射晶片基材具有包括：一第一鏡層、一活化層位於第一鏡層上、一第二鏡層位於活化層上、一氧化層夾設於第二鏡層內、以及至少一氧化穴形成於第二鏡層上；其中，該氧化穴之深度係足以使氧化層至少有一部份是暴露於該氧化穴之一內壁面上；對該雷射晶片基材實施一氧化製程，使氧化層自暴露於氧化穴內壁面處發生氧化反應而形成一絕緣區；其中，該氧化反應之氧化速率係小於0.4μm/min；以及在雷射晶片基材之第二鏡層上形成至少一接觸墊以及至少一介電層；其中，該至少一介電層係包括有位於前述氧化穴、第二鏡層與接觸墊上方的一氮氧化矽(SiON)保護層。
於一較佳實施例中，該雷射晶片基材是一砷化鎵(Gallium Arsenide)基材。
於一較佳實施例中，該第一鏡層是一n型分佈式布拉格反射鏡層(distributed Bragg reflector；簡稱DBR)，且第二鏡層是一p型分佈式布拉格反射鏡層。
於一較佳實施例中，第一與第二鏡層之材質包含有不同鋁莫耳百分比之砷化鋁鎵(AlGaAs)，並且，該氧化層在第二鏡層中是具有相對最高莫耳百分比的鋁。
於一較佳實施例中，該氧化製程是濕氧化製程，且該絕緣區的材質係包含氧化鋁。
於一較佳實施例中，於該氧化製程中，該氧化層之氧化反應的氧化速率係介於0.1~0.4μm/min。
於一較佳實施例中，該接觸墊的材質是金屬。
於一較佳實施例中，係藉由在氧化製程中控制氧化反應之溫度介於410℃至425℃之間，同時藉由調整氧化反應之水氣含量的多寡，來達到使其氧化速率介於0.1~0.4μm/min。
本發明之氧化侷限式(Oxide Vertical Cavity)面射型雷射(Vertical Surface-Emitting Laser；簡稱VCSEL)製作方法的主要原理，是在不需增加額外製程或複雜製程的前提下，只需在VCSEL氧化製程中藉由低氧化速率來減少氧化層應力，並搭配雷射光窗上之保護層來阻止外界水氣的入侵，便能達到可耐高溫高濕操作且提高產品可靠度的VCSEL雷射元件。
為了能更清楚地描述本發明所提出之氧化侷限式VCSEL製作方法，以下將配合圖式詳細說明之。
請參閱圖一，係一典型VCSEL雷射元件的結構示意圖。首先，在一以砷化鎵(Gallium Arsenide)為基材所構成的雷射晶片基材上910，以分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy，簡稱MBE)或有機金屬氣相沈積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，簡稱MOCVD)由下而上依序形成：一基底911、一第一鏡層912(1st Mirror)、一活化層914(Active Layer)位於第一鏡層912上、一第二鏡層916(2nd Mirror)位於活化層914上、一氧化層960(Oxidation Layer)夾設於第二鏡層916內、以及以蝕刻製程形成至少一氧化穴940(Oxidation Cavity)於第二鏡層916的表面上。以水氣氧化法(Wet Oxidation)所製作的VCSEL雷射元件為例，該基底911是一n型砷化鎵(n+GaAs)基底，該第一鏡層912是一n型分佈式布拉格反射鏡層(distributed Bragg reflector；簡稱DBR)，且第二鏡層916是一p型分佈式布拉格反射鏡層。VCSEL雷射元件便是利用活化層914上下DBR作為反射鏡面，進而產生共振腔發出雷射光(Resonant Cavity)。第一與第二鏡層912、916之材質係包含有不同鋁莫耳百分比之砷化鋁鎵(AlGaAs)，並且，該氧化層960在第二鏡層916中是具有相對最高莫耳百分比的鋁。一般來說，該氧化層960之鋁莫耳百分比有時高達A10.95Ga0.05As或以上，以便在氧化製程中可以形成絕緣之氧化鋁層。
該氧化穴940定義了位於其間之雷射光窗9101的位置，且其深度應足以使氧化層960至少有一部份是暴露於該氧化穴940之一內壁面上。之後，對該雷射晶片基材910實施一濕氧化製程，使氧化層960自暴露於氧化穴940內壁面處發生氧化反應而形成一氧化鋁絕緣區(也就是圖一中編號為960的相同區域，故以下亦給予相同編號960)。於本發明中，該氧化反應之氧化速率係小於0.4μm/min為較佳，且以介於0.1~0.4μm/min為最佳。在此一低氧化速率之製程下，氧化層960(絕緣區)因氧化反應而與第二鏡層916之間所產生的應力將大幅降低，進而可大幅減少其兩者接觸面間之點狀瑕疵的產生以及避免氧化層龜裂現象。
之後，在雷射晶片基材910之第二鏡層916上之預定位置處形成至少一金屬材質之接觸墊9100、以及至少一介電層。於本實施例中，該至少一介電層係包括有位於前述氧化穴940、第二鏡層916與接觸墊9100上方的一氮氧化矽(SiON)保護層9120。此一氮氧化矽保護層9120可有效保護由氧化穴940所定義之雷射光窗9101以阻止外界水氣的入侵，如此便能達到可耐高溫高濕操作且提高產品可靠度的VCSEL雷射元件。於一實施例中，該保護層9120的厚度可為雷射元件所發出之雷射光波長的約3/2倍為佳。
以下將說明本發明如何達成以介於0.1~0.4μm/min之低氧化速率來進行氧化層960之濕氧化製程。
一般來說，影響氧化速率的重要因子為氧化製程時的1)溫度與2)通入的水氣含量。溫度越高或水氣含量越高，則氧化速率越快；反之則相反。因此，降低氧化速率的方法，可以是在製程過程中降低反應溫度或水氣含量。其中，降低溫度對於氧化速率的降低效果特別的顯著，倘如反應溫度降至400℃或390℃以下時，其氧化速率將巨幅地降低，如此將使製程時間過長進而導致生產效率降低的缺點。於本發明之一較佳實施例中，是維持在410℃以上的溫度進行氧化製程，例如介於410℃至425℃的溫度，同時並藉由控制水氣含量之多寡來調整氧化速率，以達成低氧化速率的目的。
比較高溫低氧化速率與低溫低氧化速率的差別：氧化製程是水氣中的水蒸氣與高鋁莫耳百分比之砷化鋁鎵(AlGaAs)材料發生氧化反應而形成氧化層，此反應需要一定的化學能讓整個反應形成完全。較高的溫度能提供充分的化學能讓整個反應形成完全，進而能提供較穩定的氧化層，可以大幅降低因以後外來的水氣滲入將導致其氧化層在長期操作下持續性地發生氧化反應。若採低溫低氧化速率，則因反應不夠完全，而導致因以後外來的水氣滲入將導致其氧化層在長期操作下持續性地發生氧化反應，進而產生缺陷或應力而導致元件失效。因此，本發明藉由在氧化製程中控制氧化反應溫度介於410℃至425℃之間，同時並藉由調整水氣含量多寡來達到介於0.1~0.4μm/min之低氧化速率，不僅可具有如前述之「大幅減少接觸面之點狀瑕疵」以及「避免氧化層龜裂現象」的優點，且更能避免採低溫低氧化速率所造成之「反應不夠完全」與「外來的水氣導致其氧化層在長期操作下持續性地發生氧化反應」的缺失。
如圖二所示，為藉由本發明之氧化侷限式面射型雷射製作方法所製造之雷射元件的輸出光功率變異測試圖，其測試條件是在溫度攝氏85度、濕度85%RH、且操作電流Iop為6mA的環境下以多數個雷射元件進行長時間操作測試。由圖二可知，以本發明之氧化侷限式面射型雷射製作方法所製造之雷射元件，在前述測試環境下已可達到超過2000hrs的操作時數內其輸出光功率變異量ΔP均保持在小於正負0.25的範圍內，故可提供穩定操作功率以及良好的雷射效能。此外，由於本發明之製作方法並未在習知VCSEL製法中增加額外製程，並可以在完全不會影響到生產線運作的前提下使用現有機台進行調整即可實施，且控制低氧化速率的方式也很簡單，但卻能達到良好的耐高溫高濕效果，可知本發明相對於習知技術確實有功效上之顯然增進，完全克服習知技術的前述缺失。
唯以上所述之實施例不應用於限制本發明之可應用範圍，本發明之保護範圍應以本發明之申請專利範圍內容所界定技術精神及其均等變化所含括之範圍為主者。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
910．．．雷射晶片基材
911．．．基底
912．．．第一鏡層
914．．．活化層
916．．．第二鏡層
940．．．氧化穴
960．．．氧化層
9100．．．接觸墊
9101．．．雷射光窗
9120．．．保護層
圖一係一典型VCSEL雷射元件的結構示意圖。
圖二為藉由本發明之氧化侷限式面射型雷射製作方法所製造之雷射元件的折射率變異測試圖。
910．．．雷射晶片基材
911．．．基底
912．．．第一鏡層
914．．．活化層
916．．．第二鏡層
940．．．氧化穴
960．．．氧化層
9100．．．接觸墊
9101．．．雷射光窗
9120．．．保護層

Claims (4)

  1. 一種氧化侷限式面射型雷射製作方法，包括有：提供一雷射晶片基材，於該雷射晶片基材具有包括：一第一鏡層、一活化層位於第一鏡層上、一第二鏡層位於活化層上、一氧化層夾設於第二鏡層內、以及至少一氧化穴形成於第二鏡層上；其中，該氧化穴之深度係足以使氧化層至少有一部份是暴露於該氧化穴之一內壁面上；對該雷射晶片基材實施一氧化製程，使氧化層自暴露於氧化穴內壁面處發生氧化反應而形成一絕緣區；其中，藉由在該氧化製程中控制該氧化反應之溫度介於410℃至425℃之間，同時並藉由調整該氧化反應之水氣含量的多寡，來達到使該氧化層之該氧化反應的氧化速率係介於0.1~0.4μm/min；以及在雷射晶片基材之第二鏡層上形成至少一接觸墊以及至少一介電層；其中，該至少一介電層係包括有位於前述氧化穴、第二鏡層與接觸墊上方的一氮氧化矽(SiON)保護層；其中，該第一鏡層與該第二鏡層之材質包含有不同鋁莫耳百分比之砷化鋁鎵(AlGaAs)，並且，該氧化層在該第二鏡層中是具有相對最高莫耳百分比的鋁；其中，該氧化製程是濕氧化製程，且該絕緣區的材質係包含氧化鋁。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氧化侷限式面射型雷射製 作方法，其中，該雷射晶片基材是一砷化鎵(Gallium Arsenide)基材。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之氧化侷限式面射型雷射製作方法，其中，該第一鏡層是一n型分佈式布拉格反射鏡層(distributed Bragg reflector；簡稱DBR)，且第二鏡層是一p型分佈式布拉格反射鏡層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之氧化侷限式面射型雷射製作方法，其中，該接觸墊的材質是金屬。
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