CN102570301B

CN102570301B - 双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构及制备方法

Info

Publication number: CN102570301B
Application number: CN 201010616548
Authority: CN
Inventors: 关宝璐; 任秀娟; 郭霞; 李硕; 史国柱; 李川川; 郝聪霞; 郭帅; 周弘毅; 苏治平; 陈树华
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102570301A

Abstract

双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构及制备方法属于半导体光电子器件领域。其结构一部分为微机电***体结构薄膜(200)，另一部分为半结构的垂直腔面发射激光器(400)，通过粘合层(5)粘合在一起。微机电***体结构薄膜从上到下包括有衬底(1)、腐蚀停层(2)、上分布反馈布拉格反射镜(100)；半结构的垂直腔面发射激光器从上到下包括有注入电极(6)、绝缘层(7)、P型欧姆接触(8)、电流限制层(9)、有源区(10)、下分布反馈布拉格反射镜(300)、n型砷化镓衬底(13)、衬底电极(14)；两部分通过粘合层粘合在一起形成中空结构空气隙(15)。本发明实现了双片集成可调谐垂直腔面发射激光器，达到激射波长的动态、可调的目的。

Description

双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构及制备方法

技术领域：

本发明涉及一种新型的可调谐垂直腔面发射激光器结构和制备方式，属于半导体光电子器件技术领域。

背景技术：

波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)是光电子器件领域中的一个研究重点。VCSEL以其波长可调、成本低、体积小、可集成、与光纤耦合效率高等优点在高密度信息光通信、全球定位***(Global Positioning System，GPS)(原子钟)、高性能计算机、电子产品控制(激光鼠标)、传感、气体探测和光谱分析等领域有着重要的应用。然而，宽范围波长可调谐VCSEL工作特性的内涵是多样的，既涉及到复杂的物理机理，同时也涉及到微机械结构与激光器相结合，从而控制腔长变化而实现宽波长调谐。

基于微机电***(MEMS)技术的可调谐垂直腔面发射激光器的基本物理结构从上往下依次包括：可动反馈布拉格反射镜、牺牲层、p型欧姆接触层、氧化限制层、有源区、n型分布反馈布拉格反射镜和n型欧姆接触层七部分组成。其中，MEMS可动反馈布拉格反射镜与激光器有源区体结构的有机结合是决定器件性能的关键。此外，由横向腐蚀牺牲层制备得到的空气隙作为激光器谐振腔的一部分，在静电力作用下，可动布拉格反射镜发生移动，空气隙厚度随之发生变化，进而使谐振波长变化。

目前，根据MEMS微机械结构和光学设计的不同，可调谐垂直腔面发射激光器总体分为MEMS悬臂梁式、薄膜式和半对称腔式三种器件结构。结合表面微加工技术，以MEMS结构为基础，通过静电力方式调谐的垂直腔面发射激光器，不仅具有调谐范围大、响应速度快、易于实现无跳模连续调谐，而且操作简单、制作低成本，得到人们广泛重视和研究。但目前MEMS微结构单片实现的方式面临下列不足：(1)结构一次外延得到，二次制备加工工艺难度大；(2)牺牲层厚度小(微米量级)，横向腐蚀困难，使得结构层易受损，最终使得调谐范围受限；(3)受牺牲层横向腐蚀长度限制，器件结构和MEMS结构设计参数较苛刻。

目前背孔工艺在微电子和光电子器件中都有很广泛的应用，但还没有关于将其应用于薄膜制备方面的报告。并且采用SiCl₄/Cl₂的等离子刻蚀***其最大刻蚀速率只有2μm/min，很难达到背孔工艺对刻蚀速率的要求。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种双片集成可调谐VCSEL的结构及其制备方法，将传统的半导体工艺技术和微纳表面加工技术相结合，并运用到双片集成可调谐VCSEL的制备中，从而克服MEMS单片结构中存在的工艺条件相对苛刻、器件可靠性低、不能分别优化机械部分和有源区部分等技术难点。实现MEMS微机械可动薄膜的独立优化和设计，充分发挥微纳表面加工技术优势，从而得到高质量的MEMS薄膜；同时，采用传统半导体工艺进行VCSEL制备，并且在制备和优化过程中不再受到MEMS结构的限制和制约，大大提高器件的可靠性、输出光束质量和波长调谐范围。

本发明提供的一种双片集成可调谐垂直腔面发射激光器的结构，其基本结构如附图1所示由两部分组成：一部分为微机电***体结构薄膜200，另一部分为半结构的垂直腔面发射激光器400。这两部分通过粘合层5粘合在一起。微机电***体结构薄膜从上到下依次包括有衬底1、腐蚀停层2、上分布反馈布拉格反射镜100；半结构的垂直腔面发射激光器从上到下依次包括有注入电极6、绝缘层7、P型欧姆接触8、氧化限制层9、有源区10、下分布反馈布拉格反射镜300、n型砷化镓衬底13、衬底电极14；

本发明中无需牺牲层结构，附图2显示了双片集成可调谐垂直腔面发射激光器整体结构。微机电***体结构薄膜200与半结构的垂直腔面发射激光器400四周通过粘合层5粘合在一起，形成中空结构，这一中空结构即作为空气隙15。

本发明中在上分布反馈布拉格反射镜100下生长一层氧化铟锡，起到电流扩展的作用，从而提高调谐效率。

本发明中上分布反馈布拉格反射镜100由本征材料构成，目的是减小对光的吸收。

本发明中粘合层5是一种具有粘性特性的绝缘材料，可以是有机材料，也可以是无机材料。保证通过在衬底1和注入电极6之间加反向电压时，在空气隙15间形成静电力。

本发明中双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构对于电泵浦和光泵浦均适用；

本发明提供了一种双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

步骤1、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***在n型砷化镓衬底13上依次外延生长下分布反馈布拉格反射镜300、有源区10、氧化限制层9、P型欧姆接触8；

步骤2、将外延片清洗，光刻，腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层9侧壁；

步骤3、进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径；

步骤4、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***生长绝缘层7，进行第二次光刻，腐蚀，暴露出P型欧姆接触层8；

步骤5、在绝缘层7上溅射金属，并进行第三次光刻，腐蚀，形成注入电极6；

步骤6、将n型砷化镓衬底13减薄，背面溅射金属形成衬底电极14；

步骤7、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***在衬底1上依次外延生长腐蚀停层2和上分布反馈布拉格反射镜100层；

步骤8、将步骤7中生长的外延片进行清洗，光刻，湿法腐蚀出薄膜图形；

步骤9、将衬底1减薄，将外延片正面粘在玻璃片上起保护作用。并进行双面光刻，腐蚀，衬底1上得到窗口图形；

步骤10、将经过步骤9处理后的外延片放入电感耦合等离子体刻蚀***中进行刻蚀，在Cl₂流量为20sccm～30sccm，SiCl₄流量为5sccm～12sccm，源功率为500W～800W，偏压功率为100W～250W，压强为4mTorr～12mTorr的刻蚀条件下，砷化镓刻蚀速率为2.5μm/min～8.8μm/min，砷化镓与光刻胶的刻蚀选择比为9∶1～21∶1，刻蚀时间为10分钟～35分钟，再进行湿法腐蚀，直到腐蚀停层2；

步骤11、湿法腐蚀掉窗口图形暴露出的腐蚀停层2，去掉保护玻璃片，完成微机电***体结构薄膜200的制备；

步骤12、将半结构的垂直腔面发射激光器400表面旋图粘合层5，光刻、显影出粘合层5图形。

步骤13、将制备好的半结构的垂直腔面发射激光器400和微机电***体结构薄膜200粘附在一起，完成双片集成的过程。

本发明效果：

1)双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构由两部分组成，一部分为微机电***体结构薄膜200，另一部分为半结构的垂直腔面发射激光器400。微机电***体结构薄膜200与半结构的垂直腔面发射激光器400四周通过粘合层5粘合在一起，形成中空结构，这一中空结构即作为空气隙15，无牺牲层结构，工艺简单；

2)在技术背景中提到，单片实现中存在牺牲层去除困难的问题，因此在设计中需要考虑结构层尺寸设计的大小。双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构，无牺牲层，可以分别优化设计微机电***体结构薄膜200和半结构的垂直腔面发射激光器400；

3)双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构对于电泵浦和光泵浦均适用；

4)采用SiCl₄/Cl₂的电感耦合等离子体刻蚀***中，刻蚀速率与压强、源功率、偏压功率和气体组分相关，最佳的刻蚀条件需要综合考虑每个刻蚀条件，但目前报道的刻蚀速率只有2μm/min，很难达到背孔工艺中对刻蚀速率的要求。通过优化刻蚀条件，在Cl₂流量为30sccm，SiCl₄流量为12sccm，源功率600W，偏压功率200W，压强12mTorr的刻蚀条件下，砷化镓刻蚀速率达到8.8μm/min，是目前较高的刻蚀速率；

5)通过干法刻蚀与湿法腐蚀相结合制备出了完整的微机电***体结构薄膜。

附图说明：

图1：双片集成可调谐垂直腔面发射激光器集成过程；

图2：双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构示意图；

以上图1和图2中：1为衬底，2为腐蚀停层，3为砷化镓层，4为铝砷化镓层，5为粘合层，6为注入电极，7为绝缘层，8为P型欧姆接触，9为氧化限制层，10为有源区，11为铝砷化镓层，12为砷化镓层，13为n型砷化镓衬底，14为衬底电极，15为空气隙，100为上分布反馈布拉格反射镜，200为微机电***体结构薄膜，300为下分布反馈布拉格反射镜，400为半结构的垂直腔面发射激光器。

图3：双片集成可调谐垂直腔面发射激光器I-V特性曲线；

图4：双片集成可调谐垂直腔面发射激光器I-P特性曲线；

具体实施方式：

本发明的实施通过以下实施例给予说明。

实施例1：

步骤1、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***在n-砷化镓衬底13上依次外延生长26对n型铝砷化镓层11和n型砷化镓层12，GalnP/GaAs量子阱结构有源区10，AlGaAs氧化限制层9，P型欧姆接触层8；

步骤3、利用氧化炉设备在440℃下，氧化35分钟，对氧化限制层9进行氧化，形成注入电流限制孔径20μm；

步骤4、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***生长SiO₂绝缘层7，进行第二次光刻，腐蚀，暴露出P型欧姆接触层8；

步骤5、在SiO₂绝缘层7上溅射TiAu金属层，并进行第三次光刻，腐蚀，形成注入电极6；

步骤6、将n-砷化镓衬底13减薄到100μm，背面溅射AuGeNi金属层形成衬底电极14；

步骤7、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***在砷化镓衬底1上依次外延生长镓铟磷腐蚀停层2并交替生长19对铝砷化镓层4和砷化镓层3；

步骤9、将砷化镓衬底1减薄到150μm，抛光，将外延片正面粘在玻璃片上起保护作用。并进行双面光刻，腐蚀，砷化镓衬底1上得到窗口图形；

步骤10、将经过步骤9处理后的外延片置于Corial SAS Corial12001L型电感耦合等离子体刻蚀反应腔室中，实施背孔工艺，在Cl₂流量为30sccm，SiCl₄流量为12sccm，源功率600W，偏压功率200W，压强12mTorr的刻蚀条件下，得到理想的刻蚀深度和侧壁形貌，砷化镓刻蚀速率达到8.8μm/min，砷化镓与光刻胶的刻蚀选择比可以到达21∶1，刻蚀10分钟，再用甲醇、磷酸、双氧水体积配比为3∶1∶1的溶液进行湿法腐蚀，直到镓铟磷腐蚀停层2；

步骤11、用盐酸和水体积配比为2∶1的溶液湿法腐蚀，去掉窗口图形暴露出的镓铟磷腐蚀停层2。去掉保护玻璃片，完成体微机电***结构薄膜200的制备；

步骤12、将半结构的垂直腔面发射激光器400表面旋图粘合层5，将其厚度控制在2μm，作为空气隙15，并光刻、显影出粘合层5图形。

步骤13、如附图1所示，将制备好的半结构的垂直腔面发射激光器400和微机电***体结构薄膜200粘附在一起，完成双片集成的过程。

利用中国科学院海特公司生产的探针台在片光谱测试仪测量，在室温条件下，如附图3所示，器件的光功率达到9mW，阈值电流和阈值电压分别为2mA和1.56V，斜率效率为313mW/mA。在砷化镓衬底1和注入电极6之间的调谐电压从0V增加到3V的过程中，如附图4所示，谐振波长从984.7nm移动到980.2nm，调谐范围达到4.5nm。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别是：

步骤7、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***在砷化镓衬底1上依次外延生长镓铟磷腐蚀停层2，并交替生长10对二氧化硅层和氮化硅层形成上分布反馈布拉格反射镜100；

步骤10、将经过步骤9处理后的外延片置于Corial SAS Corial 12001L型电感耦合等离子体刻蚀反应腔室中，实施背孔工艺，在C l₂流量为20sccm，SiCl₄流量为5sccm，源功率500W，偏压功率100W，压强4mTorr的刻蚀条件下，砷化镓刻蚀速率达到2.5μm/min，砷化镓与光刻胶的刻蚀选择比可以到达9∶1，刻蚀35分钟，再用甲醇、磷酸、双氧水体积配比为3∶1∶1的溶液进行湿法腐蚀，直到镓铟磷腐蚀停层2；

利用中国科学院海特公司生产的探针台在片光谱测试仪测量，在室温条件下，器件的光功率达到9.2mW，阈值电流和阈值电压分别为2.3m A和1.7V，斜率效率为310mW/mA。在砷化镓衬底1和注入电极6之间的调谐电压从0V增加到3V的过程中，谐振波长从984nm移动到980nm，调谐范围达到4nm。

实施例3：

实施例3与实施例1的区别是：

步骤7、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***在砷化镓衬底1上依次外延生长镓铟磷腐蚀停层2并交替生长19对铝砷化镓层4和砷化镓层3和一层氧化铟锡；

步骤10、将经过步骤9处理后的外延片置于Corial SAS Corial 12001L型电感耦合等离子体刻蚀反应腔室中，实施背孔工艺，在Cl₂流量为25sccm，SiCl₄流量为10sccm，源功率800W，偏压功率250W，压强10mTorr的刻蚀条件下，砷化镓刻蚀速率达到7.3μm/min，砷化镓与光刻胶的刻蚀选择比可以到达14∶1，刻蚀13分钟，再用甲醇、磷酸、双氧水体积配比为3∶1∶1的溶液进行湿法腐蚀，直到镓铟磷腐蚀停层2；

利用中国科学院海特公司生产的探针台在片光谱测试仪测量，在室温条件下，器件的光功率达到8.9mW，阈值电流和阈值电压分别为2.5m A和1.9V，斜率效率为311mW/mA。在砷化镓衬底1和注入电极6之间的调谐电压从0V增加到3V的过程中，谐振波长从984nm移动到978nm，调谐范围达到6nm。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并非用以限定本发明的保护范围，凡其它未脱离权利要求书范围内所进行的各种改型和修改，均应包含在本发明的保护的范围内。

Claims

1.双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构，其特征在于，由两部分组成：一部分为微机电***体结构薄膜（200），另一部分为半结构的垂直腔面发射激光器（400）；这两部分通过粘合层（5）粘合在一起，所述粘合层（5）为表面旋图粘合层；微机电***体结构薄膜从上到下包括有衬底（1）、腐蚀停层（2）、上分布反馈布拉格反射镜(100)；半结构的垂直腔面发射激光器从上到下包括有注入电极（6）、绝缘层（7）、P型欧姆接触（8）、氧化限制层（9）、有源区（10）、下分布反馈布拉格反射镜（300）、n型砷化镓衬底（13）、衬底电极（14）；微机电***体结构薄膜（200）与半结构的垂直腔面发射激光器（400）四周通过粘合层（5）绝缘性材料集成在一起，形成中空结构，这一中空结构即作为空气隙（15）。

2.根据权利要求1所述的双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构，其特征在于：上分布反馈布拉格反射镜(100)下生长一层氧化铟锡。

3.根据权利要求1所述的双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构，其特征在于：上分布反馈布拉格反射镜（100）由本征材料构成。

4.根据权利要求1所述的双片集成可调谐垂直腔面发射激光器结构的制备方法，其特征在于，制备工艺步骤如下：

步骤1、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***在n型砷化镓衬底（13）上依次外延生长下分布反馈布拉格反射镜（300）、有源区（10）、氧化限制层（9）、P型欧姆接触（8）；

步骤2、将外延片清洗，光刻，腐蚀，形成台面结构，暴露出氧化限制层（9）侧壁；

步骤3、进行氧化工艺，形成注入电流限制孔径；

步骤4、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***外延生长绝缘层（7），进行第二次光刻，腐蚀，暴露出P型欧姆接触层（8）；

步骤5、在绝缘层（7）上溅射金属，并进行第三次光刻，腐蚀，形成注入电极（6）；

步骤6、将n型砷化镓衬底（13）减薄，背面溅射金属形成衬底电极（14）；

步骤7、采用金属有机化学汽相淀积或者分子束外延***在衬底（1）上依次外延生长腐蚀停层（2）和上分布反馈布拉格反射镜(100)层，形成外延片；

步骤9、将衬底（1）减薄，抛光，将外延片正面粘在玻璃片上起保护作用；并进行双面光刻，腐蚀，衬底（1）上得到窗口图形；

步骤10、将经过步骤9处理后的外延片放入电感耦合等离子体刻蚀***中实施背孔工艺，在Cl₂流量为20sccm ~30sccm，SiCl₄流量为5sccm~12sccm，源功率为500W~800W，偏压功率为100W~250W，压强为4mTorr~12mTorr的刻蚀条件下，砷化镓刻蚀速率为2.5μm/min ~8.8μm/min，砷化镓与光刻胶的刻蚀选择比为9:1~21:1，刻蚀时间为10分钟~35分钟，再进行湿法腐蚀，直到腐蚀停层（2）；

步骤11、湿法腐蚀掉窗口图形暴露出的腐蚀停层（2），去掉保护玻璃片，完成微机电***体结构薄膜（200）的制备；

步骤12、将半结构的垂直腔面发射激光器（400）表面旋图粘合层（5），光刻、显影出粘合层（5）图形；

步骤13、将制备好的半结构的垂直腔面发射激光器（400）和微机电***体结构薄膜（200）粘附在一起，完成双片集成的过程。