TWI796271B - 低串聯電阻高速面射型雷射之製程方法及其製成結構 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種低串聯電阻高速面射型雷射之製程方法及其製成結構，其依據一預設阻值於鄰近一共振腔體之上下方處分別選定n/p重摻雜之一第一停止層及一第二停止層之設置位置，以供分別設置正負金屬接觸層於其上。該第一停止層之設置位置位於鄰近該共振腔體上一上DBR層區域中或該上DBR層下方鄰接處，該第二停止層之設置位置位於鄰近該共振腔體下一下DBR層區域中或該下DBR層上方鄰接處，且該上DBR層設有22～30個上雙層堆疊對，該下DBR層設有32～40個下雙層堆疊對，據此透過此等停止層之設置最佳化地降低該串聯電阻阻值並避免過蝕問題而確保阻值精確性。
Description
本發明涉及一種VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，面射型雷射)元件之製程技術領域，特別涉及一種低串聯電阻高速面射型雷射之製程方法及其製成結構。
VCSEL元件泛屬LD(Laser Diode，半導體雷射)元件的一種，其結構由下而上一般係依序包含有一基板、一下DBR(Distributed Bragg Reflector，分佈式布拉格反射鏡)層、一共振腔體、一上DBR層及一組正負極金屬接觸層，以利用高反射率之DBR產生共振腔而使雷射光由晶粒表面垂直發射出來。只是，高反射率之DBR是用兩種不同折射率的材料交互堆疊而成，除有反射率分布曲線尖銳的問題外，亦有因晶體介面上明顯能隙差異而造成串聯電阻過大的情況存在。而，為因應高速數據傳輸的市場需求，習知製程技術係相應調整該組正負極金屬接觸層的設置結構，例如，可將該負極金屬接觸層設置於該基板上方鄰接處或該下DBR層上方鄰接處等兩種位置，據此以實現調整整體元件電流路徑所對應之元件串聯電阻阻值的效果。
由此可知，習知製程技術中，為設置該負極金屬接觸層係需先蝕刻掉該上DBR層、該共振腔體及甚至該下DBR層，但於蝕刻製程中卻常有蝕刻深度無法精準控制及批次蝕刻時深度差異無法再現的問題存在，即使使用監控系統來控制蝕刻停止時點，也會因反應腔內存留有蝕刻氣體或蝕刻溶液而造成過蝕的情況，進而致使元件串聯阻值存在有高誤差值的詬病。如此，對於現今
不斷追求高速及高流量傳輸的互聯網運作模式而言，不穩定的元件品質將可能造成整體互聯網系統的訊息調制效率及傳輸速度受限制，實不利於產業發展的進程。
有感於此，如何透過製程改善而縮小VCSEL元件的串聯電阻阻值誤差範圍，藉以改善上述習知技術之缺失，且進一步地，得依據元件規格需求，同時調整元件中正極及負極金屬接觸層的設置位置而達最佳化低串聯電阻阻值的效果，即為本發明所欲探究之課題。
本發明之主要目的在於提供一種低串聯電阻高速面射型雷射之製程方法及其製成結構，以透過蝕刻停止層的應用而改善蝕刻製程中過蝕問題，據此而精確掌控元件中正負極金屬接觸層之設置位置並達高穩定元件品質的效益。
為實現上述目的，本發明係揭露一種低串聯電阻高速面射型雷射之製程方法，係包含下列步驟：磊晶形成一半導體結構，其由下而上堆疊有一基板、一下DBR層、一共振腔體及一上DBR層，且該上DBR層設有22~30個上雙層堆疊對，該下DBR層設有32~40個下雙層堆疊對；設置重摻雜之一第一停止層及一第二停止層，係依據一預設阻值於鄰近該共振腔體之上下方處分別選定該第一停止層之設置位置及該第二停止層之設置位置，其中該第一停止層之設置位置位於該上DBR層區域中擇一位置穿插或取代該上DBR層之部分或該上DBR層下方鄰接處，該第二停止層之設置位置位於該下DBR層上方鄰接處或該下DBR層區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層之部分，據此以透過該第一停止層之設置位置及該第二停止層之設置位置最佳化地降低該串聯電阻之阻值大小，其中，該第一停止層及該第二停止層係採用InP、InGaP、GaAsP或AlGaAsP之含磷
材料且採n/p重摻雜，以降低蝕刻速率而提升該正極金屬接觸層及該負極金屬接觸層的設置位置精準性，進而確保該串聯電阻之阻值精確性；於該半導體結構之環側設置一負極金屬接觸區，並對應該負極金屬接觸區位置由上而下蝕刻至該第二停止層而使該半導體結構中央部位形成一第一高台；於該第一高台之一側設置一正極金屬接觸區，並對應該正極金屬接觸區位置由上而下蝕刻至該第一停止層而使該第一高台上部位形成一第二高台，且該第二高台面積小於該第一高台；及分別設置一正極金屬接觸層於該第一停止層上，及設置一負極金屬接觸層於該第二停止層上。
其中，各該上雙層堆疊對分別為Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As堆疊結構，而設置該第一停止層時，該等上雙層堆疊對之其中一對係由In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構所取代；各該下雙層堆疊對分別為Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As堆疊結構，而設置該第二停止層時，該等下雙層堆疊對之其中一對係由In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構所取代，且X為0.56~0.71。於該半導體結構之環側設置該負極金屬接觸區，並對應該負極金屬接觸區位置利用乾蝕刻法由上而下蝕刻該上DBR層、該第一停止層及該共振腔體至鄰近該第二停止層上方處後，利用濕蝕刻法蝕刻該第二停止層上方剩餘部位至該第二停止層，使該半導體結構中央部位形成該第一高台；接著，對該第一高台進行一氧化作業，以使該共振腔體中一氧化層側邊氧化而形成有一氧化孔洞，且於該第一高台之一側設置該正極金屬接觸區，並對應該正極金屬接觸區位置利用乾蝕刻法由上而下蝕刻該上DBR層至鄰近該第一停止層上方處，再利用濕蝕刻法蝕刻剩餘部位至該第一停止層，而使該第一高台上部位形成該第二高台。
並且，利用濕蝕刻法蝕刻至該停止層時係使用NH4OH：H2O2蝕刻液。利用濕蝕刻法蝕刻至該停止層時係使用配方比例1：10的NH4OH：H2O2蝕刻液。利用濕蝕刻法蝕刻採用InGaAsP材料之該第一停止層及該第二停止層時，係
使用HCL：H3PO4蝕刻液。利用濕蝕刻法蝕刻採用InP或InGaP材料之該第一停止層及該第二停止層時，係使用H3PO4：H2O2：H2O蝕刻液。利用濕蝕刻法蝕刻採用InP材料之該第一停止層及該第二停止層時，係使用H2SO4：H2O2：H2O蝕刻液或C6H8O7：H2O2蝕刻液。
另外，為實現次一目的，本發明更揭露一種利用如上述之製程方法製作而成的高速面射型雷射結構。
綜上所述，本發明係利用含磷材料之該等停止層搭配相應的蝕刻溶液來實現減緩磊晶層蝕刻速率的目的，以解決該上DBR層及該下DBR層於蝕刻製程中過蝕的問題，據此而精確掌控該等正負極金屬接觸層之該設置位置而達提升整體VCSEL結構品質穩定性的功效。並且，本發明依據該預設阻值於該共振腔體上下方鄰近處來選定該第一停止層及該第二停止層之設置位置的作業手段，係可使該VCSEL結構具客製化的最佳化低串聯阻值而便利後續應用系統的配置，進而提升產品實用效益並滿足市場應用需求。順帶一提的是，該第一停止層置入該上DBR層及該第二停止層置入該下DBR層時，若使用In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構取代原先Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As結構之雙層堆疊對時，可能有載子濃度差△n變小而影響此層堆疊對反射率的疑慮，然，因本發明係使該上DBR層設有22~30個上雙層堆疊對，該下DBR層設有32~40個下雙層堆疊對，故對上下DBR層而言仍可維持整體>99%的反射率，亦即不影響整體元件的發光效率。
S10~S14:步驟
S20~S26:步驟
1:高速面射型雷射結構
10:半導體結構
100:基板
101:下DBR層
1010:下雙層堆疊對
102:共振腔體
1020:下批覆層
1021:主動層
1022:上批覆層
1023:氧化層
10230:氧化孔洞
1024:隔離層
103:上DBR層
1030:上雙層堆疊對
104:第一停止層
105:第二停止層
106:正極金屬接觸層
107:負極金屬接觸層
11:第一高台
12:第二高台
13:負極金屬接觸區
14:正極金屬接觸區
第1圖，為本發明一較佳實施例之流程圖。
第2圖，為本發明一較佳實施例之結構示意圖。
第3圖，為本發明二較佳實施例之流程圖。
第4A~4D圖，為本發明二較佳實施例之流程示意圖。
第5圖，為本發明二較佳實施例之串聯電阻阻態示意圖。
為使本領域具有通常知識者能清楚了解本新型之內容，謹以下列說明搭配圖式，敬請參閱。
請參閱第1、2圖，其係分別為本發明一較佳實施例之流程圖及結構示意圖。如圖所示，該低串聯電阻高速面射型雷射之製程方法係包含下列步驟：步驟S10，磊晶形成一半導體結構10，其由下而上至少堆疊有一基板100、一下DBR層101、一共振腔體102及一上DBR層103，且該上DBR層103設有22~30個上雙層堆疊對1030，該下DBR層101設有32~40個下雙層堆疊對1010；步驟S11，設置重摻雜之一第一停止層104及一第二停止層105，係依據一預設阻值於鄰近該共振腔體102之上下方處分別選定該第一停止層104之設置位置及該第二停止層105之設置位置，其中該第一停止層104之設置位置位於該上DBR層103區域中擇一位置穿插或取代該上DBR層103之部分，或者，該第一停止層104之設置位置位於該上DBR層103下方鄰接處，而該第二停止層105之設置位置位於該下DBR層101上方鄰接處，或者，該第二停止層105之設置位置位於該下DBR層101區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層101之部分，據此以透過該第一停止層104之設置位置及該第二停止層105之設置位置最佳化地降低該串聯電阻之阻值大小；步驟S12，於該半導體結構之環側設置一負極金屬接觸區，並對應該負極金屬接觸區位置由上而下蝕刻至該第二停止層105而使該半導體結構中央部位形成一第一高台11；步驟S13，於該第一高台11之一側設置一正極金屬接觸區，
並對應該正極金屬接觸區位置由上而下蝕刻至該第一停止層104而使該第一高台11上部位形成一第二高台12，且該第二高台12面積小於該第一高台11；及步驟S14，分別設置一正極金屬接觸層106於該第一停止層104上，及設置一負極金屬接觸層107於該第二停止層105上。
由此可知，利用該製程方法製作而成之一高速面射型雷射結構1由下而上至少設有該基板100、該下DBR層101、該第二停止層105、該共振腔體102、該第一停止層104及該上DBR層103，於該第二停止層105之上之該高速面射型雷射結構1中央部位形成有該第一高台11，且該第一高台11上部位形成有面積相對較小之該第二高台12，而該第一高台11一側旁之該第二停止層105上係設有該負極金屬接觸層107，該第二高台12旁之該第一停止層104上設有該正極金屬接觸層106。其中，該第一停止層104之設置位置位於該上DBR層103區域中擇一位置穿插或取代該上DBR層103之部分、或該上DBR層103下方鄰接處，該第二停止層105之設置位置位於該下DBR層101上方鄰接處、或該下DBR層101區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層101之部分，據此以透過設置於該共振腔體102鄰近處之該第一停止層104之設置位置及該第二停止層105之設置位置而達最佳化地降低該串聯電阻阻值大小的效果。
請參閱第3、4A~4D圖，其係分別為本發明二較佳實施例之流程圖及流程示意圖。如圖所示，該高速面射型雷射結構1之一半導體結構10一般係主要包含有一基板100、一下DBR層101、一共振腔體102及一上DBR層103，據此，為改善歐姆接觸以達最佳化之低串聯電阻高速面射型雷射之該製程方法可包含下列步驟：步驟S20，依據一預設阻值，分別選定n/p型重摻雜之一第一停止層104及一第二停止層105於該半導體結構10中鄰近該共振腔體102上下方處之一
設置位置而形成一設計結構，且該第一停止層104之設置位置可位於該上DBR層103區域中擇一位置穿插或取代該上DBR層103之部分、或該上DBR層103下方鄰接處；該第二停止層105之設置位置位於該下DBR層101上方鄰接處、或該下DBR層101區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層101之部分，以供透過該第一停止層104及該第二停止層105之設置位置進一步決定後續製程中一正極金屬接觸層106及一負極金屬接觸層107之設置位置。
步驟S21，依據上述設計結構，磊晶形成該半導體結構10，其由下而上至少堆疊有該基板100、該下DBR層101、該第二停止層105、該共振腔體102、該第一停止層104及該上DBR層103，且該共振腔體102由下而上至少可設有一下批覆層1020、一主動層1021、一上批覆層1022、一氧化層1023及一上隔離層1024。該上DBR層103設有22~30個上雙層堆疊對1030，該下DBR層101設有32~40個下雙層堆疊對1010。各該上雙層堆疊對1030分別為Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As堆疊結構，而該第一停止層104採用InP、InGaP、GaAsP或AlGaAsP之含磷材料製成，故設置該第一停止層104時，該等上雙層堆疊對1030之其中一對可能由In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構所取代，X為0.56~0.71；各該下雙層堆疊對1010分別為Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As堆疊結構，且該第二停止層105亦採用InP、InGaP、GaAsP或AlGaAsP之含磷材料製成，故設置該第二停止層105時，該等下雙層堆疊對1010之其中一對由In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構所取代，X為0.56~0.71。
步驟S22，於該半導體結構10環側設置一負極金屬接觸區13，並對應該負極金屬接觸區13位置利用乾蝕刻法由上而下蝕刻該上DBR層103、該第一停止層104及該共振腔體102至鄰近該第二停止層105上方處後，步驟S220，利
用如配方比例1：10的NH4OH：H2O2之蝕刻液濕蝕刻該第二停止層105上方剩餘的垂直結構部位至該第二停止層105，使該半導體結構10中央部位形成一第一高台11。步驟S23，對該第一高台11進行一氧化作業，以使該共振腔體102中該氧化層1023因其含鋁量高而側邊氧化形成有一氧化孔洞10230。步驟S24，於該第一高台11之一側設置一正極金屬接觸區14，並對應該正極金屬接觸區14位置利用乾蝕刻法由上而下蝕刻該上DBR層103至鄰近該第一停止層104上方處，再於步驟S240中，利用如配方比例1：10的NH4OH：H2O2之蝕刻液濕蝕刻該第一停止層104上方剩餘的垂直結構部位至該第一停止層104，使該第一高台11上部位形成面積較該第一高台11小之一第二高台12。於本實施例中，當該第一停止層104及該第二停止層105採用InGaAsP材料時，更可使用HCL：H3PO4蝕刻液進行濕蝕刻；該第一停止層104及該第二停止層105採用InP或InGaP材料時，更可使用H3PO4：H2O2：H2O蝕刻液進行濕蝕刻；該第一停止層104及該第二停止層105採用InP材料時，更可使用H2SO4：H2O2：H2O蝕刻液或C6H8O7：H2O2蝕刻液進行濕蝕刻。
步驟S25，設置該正極金屬接觸層106於該第一停止層104上的同時，步驟S26，設置該負極金屬接觸層107於該第二停止層104上。據此，透過採用含磷材料之該第一停止層104及該第二停止層105與蝕刻液間的化學作用，即減緩了蝕刻速率而可避免蝕刻製程中該上DBR層103及該下DBR層101的過蝕問題，進而提升該正極金屬接觸層106及該負極金屬接觸層107的設置位置精準性，進而達確保由該正極金屬接觸層106至該負極金屬接觸層107之元件電流路徑所對應之該串聯電阻阻值恆定的功效。承上所述，利用該製程方法製作而成之該高速面射型雷射結構1之元件串聯電阻阻值(R)在不計電容值的前提下，可如圖5所示為R=R1+R2+R3，且R1及R3因該第一停止層104及該第二停止層105
採n/p重摻雜設置而呈低電阻阻值，故有益於降低該串聯電阻整體阻值。據此，以該共振腔體102鄰近處為該第一停止層104及該第二停止層105之設置範圍時，透過此兩者間的設置距離調整，即可隨之微調串聯阻值大小，進而使該高速面射型雷射結構1具有最佳化之低串聯阻值的特色而適應市場需求。
惟，以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；故在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。
S10~S14:步驟
Claims (9)
- 一種低串聯電阻高速面射型雷射之製程方法，係包含下列步驟：磊晶形成一半導體結構，其由下而上堆疊有一基板、一下DBR層、一共振腔體及一上DBR層，且該上DBR層設有22~30個上雙層堆疊對，該下DBR層設有32~40個下雙層堆疊對；設置重摻雜之一第一停止層及一第二停止層，係依據一預設阻值於鄰近該共振腔體之上下方處分別選定該第一停止層之設置位置及該第二停止層之設置位置，其中該第一停止層之設置位置位於該上DBR層區域中擇一位置穿插或取代該上DBR層之部分或該上DBR層下方鄰接處，該第二停止層之設置位置位於該下DBR層上方鄰接處或該下DBR層區域中擇一位置穿插或取代該下DBR層之部分，據此以透過該第一停止層之設置位置及該第二停止層之設置位置最佳化地降低該串聯電阻之阻值大小；其中，該第一停止層及該第二停止層係採用InP、InGaP、GaAsP或AlGaAsP之含磷材料且採n/p重摻雜，以降低蝕刻速率而提升該正極金屬接觸層及該負極金屬接觸層的設置位置精準性，進而確保該串聯電阻之阻值精確性；於該半導體結構之環側設置一負極金屬接觸區，並對應該負極金屬接觸區位置由上而下蝕刻至該第二停止層而使該半導體結構中央部位形成一第一高台；於該第一高台之一側設置一正極金屬接觸區，並對應該正極金屬接觸區位置由上而下蝕刻至該第一停止層而使該第一高台上部位形成一第二高台，且該第二高台面積小於該第一高台；及 分別設置一正極金屬接觸層於該第一停止層上，及設置一負極金屬接觸層於該第二停止層上。
- 如請求項1所述之製程方法，其中，各該上雙層堆疊對分別為Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As堆疊結構，而設置該第一停止層時，該等上雙層堆疊對之其中一對係由In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構所取代；各該下雙層堆疊對分別為Al(0.9)Ga(0.1)As/Al(0.1)Ga(0.9)As堆疊結構，而設置該第二停止層時，該等下雙層堆疊對之其中一對係由In(x)Ga(1-x)P/Al(0.1)Ga(0.9)As結構所取代，且X為0.56~0.71。
- 如請求項2所述之製程方法，其中，於該半導體結構之環側設置該負極金屬接觸區，並對應該負極金屬接觸區位置利用乾蝕刻法由上而下蝕刻該上DBR層、該第一停止層及該共振腔體至鄰近該第二停止層上方處後，利用濕蝕刻法蝕刻該第二停止層上方剩餘部位至該第二停止層，使該半導體結構中央部位形成該第一高台；接著，對該第一高台進行一氧化作業，以使該共振腔體中一氧化層側邊氧化形成有一氧化孔洞，且於該第一高台之一側設置該正極金屬接觸區，並對應該正極金屬接觸區位置利用乾蝕刻法由上而下蝕刻該上DBR層至鄰近該第一停止層上方處，再利用濕蝕刻法蝕刻剩餘部位至該第一停止層，而使該第一高台上部位形成該第二高台。
- 如請求項3所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻至該停止層時係使用NH4OH：H2O2蝕刻液。
- 如請求項4所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻至該停止層時係使用配方比例1：10的NH4OH：H2O2蝕刻液。
- 如請求項3所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻採用InGaAsP材料之該第一停止層及該第二停止層時，係使用HCL：H3PO4蝕刻液。
- 如請求項3所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻採用InP或InGaP材料之該第一停止層及該第二停止層時，係使用H3PO4：H2O2：H2O蝕刻液。
- 如請求項3所述之製程方法，其中，利用濕蝕刻法蝕刻採用InP材料之該第一停止層及該第二停止層時，係使用H2SO4：H2O2：H2O蝕刻液或C6H8O7：H2O2蝕刻液。
- 一種利用如請求項1~8所述之製程方法製作而成的高速面射型雷射結構。
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