CN109103745B - 一种带有空气隙dbr的vcsel结构及其制备方法 - Google Patents

一种带有空气隙dbr的vcsel结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种带有空气隙DBR的VCSEL结构，包括背面设有N面电极的导电衬底，导电衬底的表面自下而上依次生长有N型GaAs缓冲层、N型DBR和量子阱有源区，量子阱有源区表面一区域生长有氧化限制层，氧化限制层的外周同层设有铝氧化产物AlxOy圆环，氧化限制层和铝氧化产物AlxOy的表面设有平面圆形的P型DBR，在铝氧化产物AlxOy和P型DBR同层外周的量子阱有源区表面设有SiO2填充层，P型DBR的表面设有空气隙DBR，SiO2填充层的表面设有P面电极。本发明还提供一种前述VCSEL结构的制备方法，其空气隙DBR是通过氧化和腐蚀工艺，在出光孔处形成AlGaAs/air材料的DBR结构，且在两侧留有未被氧化和腐蚀的高Al组分AlGaAs作为支撑材料。本申请通过采用空气隙结构DBR，增大了DBR材料的折射率差。

Description

一种带有空气隙DBR的VCSEL结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种带有空气隙DBR的VCSEL结构及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)以其功耗低、易于二维集成、圆形光斑易与光纤耦合、在片测试节省成本等优势，广泛应用于3D感测、激光打印、光通信和光存储等领域。VCSEL一般包括柱状的谐振器结构，其中包括缓冲层、下DBR(Distributed Bragg Reflection，分布式布拉格反射镜)、下限制层、量子阱发光层、上限制层、上DBR和欧姆接触层。为了降低阈值电流，采用氧化或质子注入形成电流限制结构。在欧姆接触层和衬底背面分别制作电极，电流从电极注入到量子阱有源区，电子-空穴复合在量子阱中发光，经上下DBR反射，从谐振器结构的顶部发射激光。由于量子阱增益只有1％左右，因此上下DBR的反射率都在99％以上。在近红外波长范围，DBR一般采用高、低组分的AlGaAs材料。DBR的反射率与DBR材料的折射率差和DBR对数有关，而DBR的串联电阻和对光的吸收都与DBR对数成正比。但是，本发明的发明人经过研究发现，现有VCSEL结构中DBR高、低折射率材料的折射率差比较小。
发明内容
针对现有现有VCSEL结构中DBR高、低折射率材料的折射率差比较小的技术问题，本发明提供一种带有空气隙DBR的VCSEL结构，通过将DBR中高Al组分的AlGaAs材料用空气代替，增大了DBR材料的折射率差，减少了DBR对数，进而减小了串联电阻和对光的吸收。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种带有空气隙DBR的VCSEL结构，包括导电衬底，所述导电衬底的背面设有N面电极，所述导电衬底的表面自下而上依次外延生长有N型GaAs缓冲层、N型DBR和量子阱有源区，所述量子阱有源区表面的一区域外延生长有圆形氧化限制层，所述圆形氧化限制层的外周同层设有铝氧化产物AlxOy圆环，所述圆形氧化限制层和铝氧化产物AlxOy的表面设有平面圆形的P型DBR，在所述铝氧化产物AlxOy和P型DBR同层外周的量子阱有源区表面设有SiO2填充层，所述P型DBR的表面设有空气隙DBR，所述SiO2填充层的表面设有与P型DBR电连接且与空气隙DBR匹配的P面电极。
进一步，所述圆形氧化限制层为Alx1Ga1-x1As，x1的典型值为0.98，所述圆形氧化限制层的厚度为30nm，所述圆形氧化限制层的直径d1为5μm。
进一步，所述P型DBR由3对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/Alx2Ga1-x2As材料层叠构成，所述x2的典型值为0.8；其中，λ0为VCSEL的激射波长。
进一步，所述空气隙DBR由10～12对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/air材料构成，且未被氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱，即所述空气隙DBR包括上下结构的多层Al0.12Ga0.88As高折射率材料，上下相邻的两层Al0.12Ga0.88As高折射率材料之间设有两个未被氧化的Alx3Ga1-x3As支撑柱，每一层Al0.12Ga0.88As高折射率材料的结构为同一圆的双扇形结构对接而成的哑铃型平面结构，每一个Alx3Ga1-x3As支撑柱为一扇形柱，上下相邻两层Al0.12Ga0.88As高折射率材料之间的两个Alx3Ga1-x3As支撑柱，扇形中心顶点相对且有空气隙间距d2，所述空气隙间距d2大于圆形氧化限制层的直径d1；其中，λ0为VCSEL的激射波长。
进一步，所述x3的典型值为0.92，所述d2的典型值为7μm。
进一步，所述P面电极具有两个分支与空气隙DBR中Al0.12Ga0.88As哑铃型平面结构中间的细腰匹配。
进一步，所述Al0.12Ga0.88As哑铃型平面结构中间的细腰宽度d4优选为8μm。
进一步，所述铝氧化产物AlxOy圆环的外径和P型DBR的直径均为d3，且所述直径d3优选为25μm。
本发明还提供一种前述带有空气隙DBR的VCSEL结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1、选取一N型GaAs导电衬底放入红光MOCVD中，通入H2和AsH3去除表面的水和氧化物，在导电衬底表面上自下而上依次外延生长N型GaAs缓冲层、N型DBR、InGaAs/AlGaAs量子阱有源区、圆形氧化限制层、P型DBR和空气隙DBR；
S2、经两次光刻和干法刻蚀，形成两个台面：自下而上第一台面为圆柱型，刻蚀至量子阱有源区，第二台面为左右对称的两个扇形，刻蚀至P型DBR；将刻蚀完成的外延片放入氧化炉中，通入N2和水蒸气，炉内温度为420℃-430℃，高Al组分的AlGaAs材料被氧化成AlxOy；通过红外CCD监控，氧化层形成，空气隙DBR处Alx3Ga1-x3As氧化贯通，且留有未氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱；
S3、利用PECVD在第一台面沉积SiO2至与第二台面齐平，然后在第二台面和SiO2上制作P面电极；
S4、利用湿法腐蚀将空气隙DBR中形成的AlxOy腐蚀掉，形成空气隙结构，且未被氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱；
S5、将导电衬底减薄，在背面溅射N面电极，形成带有空气隙DBR的VCSEL结构。
进一步，所述步骤S5中，将导电衬底减薄至100μm。
与现有技术相比，本发明提供的带有空气隙DBR的VCSEL结构及其制备方法，具有以下有益效果：采用本申请中的空气隙DBR结构，增加了DBR高、低折射率材料的折射率差，在保持DBR反射率不变的情况下，可以大大减少DBR对数，进而减小了DBR的串联电阻和对光的吸收损耗，提高了VCSEL结构的斜效率和光电转换效率。
附图说明
图1是本发明提供的带有空气隙DBR的VCSEL结构示意图。
图2a是本发明提供的带有空气隙DBR的VCSEL结构俯视示意图。
图2b是本发明提供的带有空气隙DBR的VCSEL结构剖面示意图。
图3是本发明实施例在导电衬底上利用MOCVD外延生长的结构示意图。
图4a是本发明实施例经光刻、干法刻蚀后的结构示意图。
图4b是本发明实施例经氧化后的结构示意图。
图5是本发明实施例经SiO2平坦化和制作P面电极后的结构示意图。
图6是本发明实施例利用湿法腐蚀后得到的空气隙DBR结构示意图。
图中，10、导电衬底；11、N型GaAs缓冲层；12、N型DBR；13、量子阱有源区；14、圆形氧化限制层；141、铝氧化产物AlxOy；15、P型DBR；16、空气隙DBR；160、Al0.12Ga0.88As高折射率材料；161、Alx3Ga1-x3As支撑柱；162、空气隙；20、SiO2填充层；30、P面电极；31、N面电极。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参考图1、图2a和图2b所示，本发明提供一种带有空气隙DBR的VCSEL结构，包括导电衬底10，所述导电衬底10的背面设有N面电极31，所述导电衬底10的表面自下而上依次外延生长有N型GaAs缓冲层11、N型DBR12和量子阱有源区13，所述量子阱有源区13表面的一区域外延生长有圆形氧化限制层14，所述圆形氧化限制层14的外周同层设有铝氧化产物AlxOy141圆环，所述圆形氧化限制层14和铝氧化产物AlxOy141的表面设有平面圆形的P型DBR15，在所述铝氧化产物AlxOy141和P型DBR15同层外周的量子阱有源区13表面设有SiO2填充层20，即所述SiO2填充层20的厚度是圆形氧化限制层14和P型DBR15的厚度之和，所述P型DBR15的表面设有空气隙DBR16，所述SiO2填充层20的表面设有与P型DBR15电连接且与空气隙DBR16匹配的P面电极30。
作为具体实施例，所述圆形氧化限制层14为Alx1Ga1-x1As，x1的典型值为0.98，所述圆形氧化限制层14的厚度为30nm，所述圆形氧化限制层14的直径d1为5μm。采用本实施中所述的圆形氧化限制层14，由此可以形成电流和光场的限制，减小阈值电流。
作为具体实施例，所述P型DBR15由3对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/Alx2Ga1-x2As材料层叠构成，所述x2的典型值为0.8；其中，λ0为VCSEL的激射波长。采用本实施中所述的P型DBR15，由此可以提供一部分反射率，且电流由此导入有源区。
作为具体实施例，所述空气隙DBR16由10～12对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/air材料构成，且未被氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱，即所述空气隙DBR16包括上下结构的多层Al0.12Ga0.88As高折射率材料160，上下相邻的两层Al0.12Ga0.88As高折射率材料160之间设有两个未被氧化的Alx3Ga1-x3As支撑柱161，每一层Al0.12Ga0.88As160高折射率材料的结构为同一圆的双扇形结构对接而成的哑铃型平面结构，每一个Alx3Ga1-x3As支撑柱161为一扇形柱，上下相邻两层Al0.12Ga0.88As160高折射率材料之间的两个Alx3Ga1-x3As支撑柱161，扇形中心顶点相对且有空气隙间距d2，即两个Alx3Ga1-x3As支撑柱161之间相对形成有空气隙162，所述空气隙间距d2大于圆形氧化限制层14的直径d1；其中，λ0为VCSEL的激射波长。采用本实施中所述的空气隙DBR16，比通常高、低折射率AlGaAs材料的DBR减少了8～10对，由此可以减少光吸收，提高器件的电光转换效率。
作为具体实施例，所述x3的典型值为0.92，所述d2的典型值为7μm。
作为具体实施例，所述P面电极30具有两个分支与空气隙DBR16中Al0.12Ga0.88As160哑铃型平面结构中间的细腰匹配，由此可以增大电极接触面积，减小接触电阻。
作为具体实施例，所述Al0.12Ga0.88As160哑铃型平面结构中间的细腰宽度d4优选为8μm。
作为具体实施例，所述铝氧化产物AlxOy141圆环的外径和P型DBR15的直径均为d3，且所述直径d3优选为25μm。
本发明还提供一种前述带有空气隙DBR的VCSEL结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1、选取一N型GaAs导电衬10底放入红光MOCVD中，通入H2和AsH3去除表面的水和氧化物，然后向腔室内通入本领域技术人员熟知的TMGa、TMAl、Si2H6、TMIn和CBr4等原料，在导电衬底表面上自下而上依次外延生长N型GaAs缓冲层11、N型DBR12、InGaAs/AlGaAs量子阱有源区13、圆形氧化限制层14、P型DBR15和空气隙DBR16，生长后的结构如图3所示；其中，具体的外延生长方法已为本领域技术人员公知，在此不再赘述；
S2、经两次光刻和干法刻蚀，形成两个台面：自下而上第一台面为圆柱型，刻蚀至量子阱有源区13，其中铝氧化产物AlxOy141圆环的外径和P型DBR15的直径d3为25μm；第二台面为左右对称的两个扇形，刻蚀至P型DBR15，其中Al0.12Ga0.88As160哑铃型平面结构中间的细腰宽度d4为8μm；将刻蚀完成的外延片放入氧化炉中，通入N2和水蒸气，炉内温度为420℃-430℃，高Al组分的AlGaAs材料被氧化成AlxOy；通过红外CCD监控，氧化层形成5μm的氧化孔径作为出光孔，空气隙DBR16处Alx3Ga1-x3As氧化贯通，且留有未氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱，具体如图4a所示；由于氧化深度与Al组分和氧化时间有关，所以可以通过控制前述数值x1和x3的相对大小以及氧化时间来调节数值d1和d2的大小，而具体的控制调节对于本领域的技术人员来说是比较容易实现的，因此不再赘述，具体空气隙DBR16内部Alx3Ga1-x3As材料被氧化情况请参考图4b所示；
S3、利用PECVD在第一台面沉积SiO2至与第二台面齐平，然后在第二台面和SiO2上制作P面电极30，如图5所示；具体的SiO2沉积和P面电极30制作方法已为本领域技术人员熟知的现有工艺，在此不再赘述；
S4、选择合适的腐蚀液(如HCl溶液)使AlxOy和Alx3Ga1-x3As具有较高的腐蚀选择性，利用现有的湿法腐蚀工艺将空气隙DBR16中形成的AlxOy腐蚀掉，形成空气隙结构，且未被氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱，具体所述空气隙DBR16内部AlxOy被腐蚀的结果请参考图6所示；
S5、将导电衬底10减薄，如将导电衬底减薄至100μm，然后在导电衬底10的背面溅射N面电极31，形成带有空气隙DBR16的VCSEL结构，具体结构请参考图1所示。
与现有技术相比，本发明提供的带有空气隙DBR的VCSEL结构及其制备方法，具有以下有益效果：采用本申请中的空气隙DBR结构，增加了DBR高、低折射率材料的折射率差，在保持DBR反射率不变的情况下，可以大大减少DBR对数，进而减小了DBR的串联电阻和对光的吸收损耗，提高了VCSEL结构的斜效率和光电转换效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种带有空气隙DBR的VCSEL结构，其特征在于，包括导电衬底，所述导电衬底的背面设有N面电极，所述导电衬底的表面自下而上依次外延生长有N型GaAs缓冲层、N型DBR和量子阱有源区，所述量子阱有源区表面的一区域外延生长有圆形氧化限制层，所述圆形氧化限制层的外周同层设有铝氧化产物AlxOy圆环，所述圆形氧化限制层和铝氧化产物AlxOy的表面设有平面圆形的P型DBR，在所述铝氧化产物AlxOy和P型DBR同层外周的量子阱有源区表面设有SiO2填充层，所述P型DBR的表面设有空气隙DBR，所述SiO2填充层的表面设有与P型DBR电连接且与空气隙DBR匹配的P面电极；所述空气隙DBR由10～12对λ0/4光学厚度的Al0.12Ga0.88As/air材料构成，且未被氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱，即所述空气隙DBR包括上下结构的多层Al0.12Ga0.88As高折射率材料，上下相邻的两层Al0.12Ga0.88As高折射率材料之间设有两个未被氧化的Alx3Ga1-x3As支撑柱，每一层Al0.12Ga0.88As高折射率材料的结构为同一圆的双扇形结构对接而成的哑铃型平面结构，每一个Alx3Ga1-x3As支撑柱为一扇形柱，上下相邻两层Al0.12Ga0.88As高折射率材料之间的两个Alx3Ga1-x3As支撑柱，扇形中心顶点相对且有空气隙间距d2，所述空气隙间距d2大于圆形氧化限制层的直径d1；其中，λ0为VCSEL的激射波长，所述x3的典型值为0.92，所述d2的典型值为7μm；所述P面电极具有两个分支与空气隙DBR中Al0.12Ga0.88As哑铃型平面结构中间的细腰匹配，所述Al0.12Ga0.88As哑铃型平面结构中间的细腰宽度d4优选为8μm。
2.根据权利要求1所述的带有空气隙DBR的VCSEL结构，其特征在于，所述圆形氧化限制层为Alx1Ga1-x1As，x1的典型值为0.98，所述圆形氧化限制层的厚度为30nm，所述圆形氧化限制层的直径d1为5μm。
3.根据权利要求1所述的带有空气隙DBR的VCSEL结构，其特征在于，所述P型DBR由3对λ0/4光学厚度的Al012Ga088As/Alx2Ga1-x2As材料层叠构成，所述x2的典型值为0.8；其中，λ0为VCSEL的激射波长。
4.根据权利要求1所述的带有空气隙DBR的VCSEL结构，其特征在于，所述铝氧化产物AlxOy圆环的外径和P型DBR的直径均为d3，且所述直径d3优选为25μm。
5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的带有空气隙DBR的VCSEL结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、选取一N型GaAs导电衬底放入红光MOCVD中，通入H2和AsH3去除表面的水和氧化物，在导电衬底表面上自下而上依次外延生长N型GaAs缓冲层、N型DBR、InGaAs/AlGaAs量子阱有源区、圆形氧化限制层、P型DBR和空气隙DBR；
S2、经两次光刻和干法刻蚀，形成两个台面：自下而上第一台面为圆柱型，刻蚀至量子阱有源区，第二台面为左右对称的两个扇形，刻蚀至P型DBR；将刻蚀完成的外延片放入氧化炉中，通入N2和水蒸气，炉内温度为420℃-430℃，高Al组分的AlGaAs材料被氧化成AlxOy；通过红外CCD监控，氧化层形成，空气隙DBR处Alx3Ga1-x3As氧化贯通，且留有未氧化的Alx3Ga1- x3As作为支撑柱；
S3、利用PECVD在第一台面沉积SiO2至与第二台面齐平，然后在第二台面和SiO2上制作P面电极；
S4、利用湿法腐蚀将空气隙DBR中形成的AlxOy腐蚀掉，形成空气隙结构，且未被氧化的Alx3Ga1-x3As作为支撑柱；
S5、将导电衬底减薄，在背面溅射N面电极，形成带有空气隙DBR的VCSEL结构。
6.根据权利要求5所述的带有空气隙DBR的VCSEL结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，将导电衬底减薄至100μm。
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