CN112133643B - 一种新型Vcsel的外延结构及其对应氧化孔径的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法，通过传输矩阵法模拟/计算数据得到整个多层介质的透射系数和反射系数，从而得到模拟的外延结构，进行外延生长后再通过反射谱测试机得到生长后的外延层的白光反射图谱，进而调整得到氧化前后对比模拟/计算图，然后根据反射率差值较大的波段对应的波长，在观测台的下方设置滤光片或/和单色激光器，根据观测台上预先做的氧化标记处是否出现不同明暗度的成像，从而高效快速准确的判断氧化孔径是否达到所需尺寸。在N侧布拉格反射镜或P侧布拉格反射镜增加λ2/2光学厚度来提高白光反射谱的反射率差，从而更直观地观察到明暗度的成像，从而判断氧化孔径的尺寸。

Description

一种新型Vcsel的外延结构及其对应氧化孔径的测试方法
技术领域
本发明属于光电子、微电子领域及功率器件领域，具体涉及一种测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL)的氧化工艺是芯片制程中的重要环节之一，但氧化孔径的测量方式受到极大的约束，普通的氧化孔径直径仅不到10um，且氧化工艺过程时间较短，工艺稍控制不佳，即会导致整个工艺流程失败，造成报废。因此提出一种快速即时观测氧化孔径的方法对整个氧化工艺乃至芯片制程至关重要。
氧化孔径的测量与观测在当前存在极大的约束，当前主要通过监控氧化标记来判断氧化深度，从而计算出氧化孔径大小，此方法存在一定的误差以及延迟性，故而造成氧化孔径过大或过小导致晶圆报废，因此本发明根据调节外延结构，提出了一种简单、快速、准确、费用低的垂直腔面发射激光器的氧化孔径的测试方法。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法，本发明通过传输矩阵法计算得到白光反射图谱，通过氧化工艺白光反射图谱会在特定的波段反射率发生变化，根据特定波段在氧化前后的白光反射图谱的反射率差所反映的明暗度差异来快速即时的判断出氧化孔径的大小。
本发明提出了一种测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：
(1)采用传输矩阵法分别模拟氧化前后的垂直腔面发射激光器，以便得到垂直腔面发射激光器的氧化前后的模拟外延结构以及所述模拟外延结构对应的第一白光反射对比图谱；
(2)根据氧化前的模拟外延结构进行外延生长，以便得到氧化前的实际外延结构；
(3)采用反射谱测试机测试所述氧化前的实际外延结构的不同波长对应的反射率，以便得到所述氧化前的实际外延结构对应的第二白光反射图谱；
(4)根据所述第二白光反射图谱调整所述第一白光反射对比图谱，以便得到第三白光反射对比图谱；
(5)在所述第三白光反射对比图谱上选取同一波长对应的氧化前后的反射率差值≥15％的任一点，以便得到该点对应的波长λ1；
(6)在观测台的下方设置(λ1-5)～(λ1+5)范围内任一波长对应的滤光片或/和单色激光器，根据观测台上预先做的氧化标记处是否出现不同明暗度的成像，判断氧化孔径是否达到所需尺寸。
根据本发明实施例的测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法，通过传输矩阵法模拟/计算数据得到整个多层介质的透射系数和反射系数，从而得到模拟的外延结构，进行外延生长后再通过反射谱测试机得到生长后的外延层的白光反射图谱，进而调整得到氧化前后对比模拟/计算图，然后根据反射率差值较大的波段对应的波长，在观测台的下方设置滤光片或/和单色激光器，根据观测台上预先做的氧化标记处是否出现不同明暗度的成像，从而高效快速准确的判断氧化孔径是否达到所需尺寸。该方法具有成本低、响应快、准确度高等优点，在量产阶段进一步降低了报废率，提高了工作效率。
另外，根据本发明上述实施例的测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述实际外延结构包括：衬底；衬底上依次生长的缓冲层、 N侧布拉格反射镜、底部腔、量子阱、顶部腔、氧化层、P侧布拉格反射镜和表层。
在本发明的一些实施例中，所述步骤(2)还包括：在所述N侧布拉格反射镜或所述P侧布拉格反射镜的任一层AlGaAs中增加λ2/2光学厚度的整数倍，其中，λ2表示垂直腔面发射激光器的发光波长。由此，通过在N侧布拉格反射镜或P侧布拉格反射镜增加λ2/2光学厚度的整数倍来提高白光反射谱的反射率差，从而更直观地观察到明暗度的成像，从而判断氧化孔径的尺寸。
在本发明的一些实施例中，在所述N侧布拉格反射镜或所述P侧布拉格反射镜的任一层AlGaAs中增加λ2/2的光学厚度，其中，λ2表示垂直腔面发射激光器的发光波长。由此，通过在N侧布拉格反射镜或P侧布拉格反射镜增加λ2/2的光学厚度来提高白光反射谱的反射率差，从而更直观地观察到明暗度的成像，从而判断氧化孔径的尺寸。
在本发明的一些实施例中，所述λ1选择730nm或者750nm。
在本发明的一些实施例中，所述反射率差值选择15％或18％。
在本发明的一些实施例中，在步骤(6)中，预先在观测台上做8um的氧化标记。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法流程图。
图2为本发明实施例的氧化前的外延结构示意图。
图3本发明实施例的氧化后的外延结构示意图。
图4是实施例1中的氧化前模拟外延结构对应的白光反射图谱。
图5为实施例1中的第三白光反射对比图谱。
图6为实施例1中的730nm和750nm的滤光片的反射率图谱。
图7为实施例1中的氧化孔径在观测台上的俯视图。
图8为实施例3中的第三白光反射对比图谱。
图9为实施例3的外延结构的光学厚度驻波图。
图10为实施例3的P侧布拉格反射镜中AlGaAs层增加λ2/2波长的光学厚度驻波图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法。根据本发明的实施例，参考附图1，所述方法包括：
S100：采用传输矩阵法分别模拟氧化前后的垂直腔面发射激光器，以便得到垂直腔面发射激光器的氧化前后的模拟外延结构以及所述模拟外延结构对应的第一白光反射对比图谱；
在该步骤中，采用传输矩阵法先模拟氧化前的垂直腔面发射激光器，得到垂直腔面发射激光器的氧化前的模拟外延结构以及所述模拟外延结构对应的白光反射图谱，再模拟氧化后的垂直腔面发射激光器，得到垂直腔面发射激光器的氧化后的模拟外延结构以及所述模拟外延结构对应的白光反射图谱，将氧化前的白光反射图谱和氧化后的白光反射图谱整合在一起，得到氧化工艺前后的对比模拟/计算图，即第一白光反射对比图。根据本发明的实施例，参考附图2，所述氧化前的外延结构包括衬底1；衬底1上依次生长的缓冲层2、N侧布拉格反射镜3、底部腔4、量子阱5、顶部腔6、氧化层7、P侧布拉格反射镜8和表层9。根据本发明的实施例，参考附图3，所述氧化后的外延结构中的所述氧化层7为Al0.98GaAs，经过氧化工艺后变为Al2O3。
根据本发明的实施例，所述传输矩阵法是利用麦克斯韦方程组求解两个紧邻层面上的电场和磁场，从而得到传输矩阵，然后将单层结论推广到整个介质空间，得到多层的厚度和组分，由此即可计算出整个多层介质的透射系数和反射系数。
S200：根据氧化前的模拟外延结构进行外延生长，以便得到氧化前的实际外延结构；
在该步骤中，根据氧化前的模拟外延结构的参数进行外延生长，得到氧化前的实际外延结构，参考附图2，所述实际外延结构包括衬底1；衬底1上依次生长的缓冲层2、N侧布拉格反射镜3、底部腔4、量子阱5、顶部腔6、氧化层7、P侧布拉格反射镜8和表层9。在本发明的实施例中，并不限定进行外延生长的具体方法，本领域人员可以随意选择。
进一步地，所述步骤S200还包括：所述N侧布拉格反射镜或所述P侧布拉格反射镜的任一层AlGaAs中增加λ2/2光学厚度的整数倍，其中，λ2表示垂直腔面发射激光器的发光波长。根据光学原理可知，增加λ2/2波长光学厚度的整数倍的腔长不会影响器件的白光反射谱。需要说明的是：增加λ2/2波长光学厚度的整数倍不会影响器件的白光反射主谱，但是会影响边谱，我们主要通过边谱的反射率差异来观测判断氧化孔径的大小。由此，通过在N侧布拉格反射镜或P侧布拉格反射镜增加λ2/2光学厚度的整数倍来提高白光反射谱的反射率差，从而更直观地观察到明暗度的成像，从而判断氧化孔径的尺寸。更进一步地，在所述N侧布拉格反射镜或所述P侧布拉格反射镜的任一层AlGaAs中增加λ2/2的光学厚度，其中，λ2表示垂直腔面发射激光器的发光波长。由此，通过在N侧布拉格反射镜或P 侧布拉格反射镜增加λ2/2的光学厚度来提高白光反射谱的反射率差，从而更直观地观察到明暗度的成像，从而判断氧化孔径的尺寸。
S300：采用反射谱测试机测试所述氧化前的实际外延结构的不同波长对应的反射率，以便得到所述氧化前的实际外延结构对应的第二白光反射图谱；
在该步骤中，采用反射谱测试机测试所述氧化前的实际外延结构的不同波长对应的反射率，得到所述氧化前的实际外延结构对应的第二白光反射图谱，在本发明的实施例中，并不限定采用反射谱测试机测试实际外延结构的具体过程，本领域人员可以随意选择。
S400：根据所述第二白光反射图谱调整所述第一白光反射对比图谱，以便得到第三白光反射对比图谱；
在该步骤中，根据上述步骤中的所述第二白光反射图谱调整所述第一白光反射对比图谱，使采用传输矩阵法模拟/计算得到的所述第一白光反射对比图谱更加接近实际生长得的外延结构。获取的第二白光反射图谱经过传输矩阵法，得到实际生长外延结构的组分和厚度，通过对比由第一白光反射图谱得到的外延结构，对实际外延结构进行调整和优化，最终得到实际生长外延结构的第二白光反射图谱与第一白光反射图谱匹配一致。在本发明的实施例中，并不限定调整的具体方法，本领域人员可以随意选择。
S500：在所述第三白光反射对比图谱上选取同一波长对应的氧化前后的反射率差值≥15％的任一点，以便得到该点对应的波长λ1；
在该步骤中，通过对比同一波长下的所述第三白光反射对比图谱上的氧化前外延结构和氧化后外延结构的反射率，选取反射率差值≥15％中的任一点，得到该点对应的波长λ1。反射率差值≥15％即可看到明显的明暗差异。在本发明的实施例中，反射率差值的具体选择并不受具体限制，只要满足反射率差值≥15％即可，本领域人员可以随意选择，作为一种优选的方法，所述反射率差值选择15％或18％。在本发明的实施例中，波长λ1的具体数值并不受具体限制，只要满足反射率差值≥15％即可，本领域人员可以随意选择，作为一种优选的方法，所述λ1选择730nm或者750nm。
S600：在观测台的下方设置(λ1-5)～(λ1+5)范围内任一波长对应的滤光片或/和单色激光器，根据观测台上预先做的氧化标记处是否出现不同明暗度的成像，判断氧化孔径是否达到所需尺寸。
在该步骤中，在观测台的下方设置(λ1-5)～(λ1+5)范围内任一波长对应的滤光片或/和单色激光器，可以单独设置滤光片，也可以单独设置单色激光器，也可以同时设置滤光片和单色激光器。因为白光波段较宽，整体上观测台查看并无明显差别，但使用特定波段的滤光片和/或单色激光器，则在观测台上可以看到明显明暗光圈，从而在观测台观测到氧化工艺过程，进而判断氧化孔径的大小。该滤光片分别在(λ1-5)～(λ1+5)范围内是透光的，但在其他波段是高反射率，滤掉其他波段的光，仅可反射该波段的光，在合理位置安装上述滤光片，根据滤光片高低反射率差特性反馈的不同明暗度的成像，从而快速准确地得到所需氧化孔径的尺寸。单色激光器的作用是：利用单色激光器光束一致性好不受干扰的特性，在特定波段通过高低反射率差反馈的不同明暗度的成像，从而快速准确判断氧化孔径的尺寸。
在本发明的实施例中，在观测台上预先做所需尺寸的氧化标记，当氧化到所需尺寸的时候，在观测台上预先做的氧化标记处能观察到不同明暗度的成像，从而快速准确判断氧化孔径的尺寸。作为一种优选的方案，预先在观测台上做8um的氧化标记。
下面详细描述本发明的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。另外，如果没有明确说明，在下面的实施例中所采用的所有试剂均为市场上可以购得的，或者可以按照本文或已知的方法合成的，对于没有列出的反应条件，也均为本领域技术人员容易获得的。
实施例1
本实施例提供一种测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法，根据本发明的实施例，所述方法包括：
(1)采用传输矩阵法先模拟氧化前的垂直腔面发射激光器，得到垂直腔面发射激光器的氧化前的模拟外延结构以及所述模拟外延结构对应的白光反射模拟/计算图谱(如附图4 所示)，再模拟氧化后的垂直腔面发射激光器，得到垂直腔面发射激光器的氧化后的模拟外延结构以及所述模拟外延结构对应的白光反射图谱，将氧化前的白光反射图谱和氧化后的白光反射图谱整合在一起，得到氧化工艺前后的对比模拟/计算图，即第一白光反射对比图。
(2)根据氧化前的模拟外延结构进行外延生长，得到氧化前的实际外延结构。
(3)采用反射谱测试机测试所述氧化前的实际外延结构的不同波长对应的反射率，得到所述氧化前的实际外延结构对应的第二白光反射图谱。
(4)根据所述第二白光反射图谱调整所述第一白光反射对比图谱，得到第三白光反射对比图谱，所述第三白光反射对比图谱如附图5所示。从图5可以看出，氧化前后模拟/计算图在白光主谱并无明显差异，Dip波长有些微波动是因为氧化层Al0.98GaAs经过氧化工艺后变为Al2O3，光程稍有偏差导致，左侧框内氧化前后边谱在730nm和750nm两个波段反射率差异较大。730nm±5nm范围内反射率差为15％，750nm±5nm范围内反射率差为18％。
(5)在氧化炉的观测台上添加谱宽为10nm的730nm或者750nm滤光片，具体原理为：该滤光片分别在730nm±5nm范围内以及750nm±5nm范围内是透光的，但在其他波段是高反射率，具体如图6所示。在合理位置安装上述滤光片，根据滤光片高低反射率差特性反馈的不同明暗度的成像，从而快速准确地得到我们所需氧化孔径的尺寸。
理想的氧化孔径在8um～8.5um之间，首先，在观测台上做8um大小的氧化标记，然后在观测台正下方安装730nm或者750nm的滤光片，然后通过高低反射率差特性反馈的不同明暗度的成像，从而快速准确地得到我们所需氧化孔径的尺寸，氧化孔径在观测台上的俯视图如附图7所示，其中，A为氧化台面，B为氧化孔径。
实施例2
本实施例提供一种测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法，在氧化设备的观测台上分别安装730nm或者750nm的单色激光器，其他内容和实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法，在所述顶部腔6的 AlGaAs层增加λ2/2的光学厚度，其中，λ2表示垂直腔面发射激光器的发光波长。其他内容和实施例1相同。根据光学原理可知，增加λ2/2波长光学厚度的整数倍的腔长不会影响器件的白光反射谱，附图9为外延结构的光学厚度驻波图，附图10为P侧布拉格反射镜中 AlGaAs层增加λ2/2波长的光学厚度驻波图，横坐标为外延结构层数，纵坐标为相对电场强度，表中曲线表示在此位置所对应的相位，从附图9和10中可以看出，增加λ2/2波长光学厚度的整数倍不会引起相位的变化。通过传输矩阵法得到如附图8所示的模拟/计算图，与实施例1的附图6相比，同样在白光主谱上并无明显差异，然而在730nm±5nm范围(左侧框选中范围)内的反射率差由15％增加至31％，在750nm±5nm范围(左侧框选中范围) 内的反射率差由18％增加至27％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种测试垂直腔面发射激光器的氧化孔径的方法，其特征在于，包括：
(1)采用传输矩阵法分别模拟氧化前后的垂直腔面发射激光器，以便得到垂直腔面发射激光器的氧化前后的模拟外延结构以及所述模拟外延结构对应的第一白光反射对比图谱；
(2)根据氧化前的模拟外延结构进行外延生长，以便得到氧化前的实际外延结构；
(3)采用反射谱测试机测试所述氧化前的实际外延结构的不同波长对应的反射率，以便得到所述氧化前的实际外延结构对应的第二白光反射图谱；
(4)根据所述第二白光反射图谱调整所述第一白光反射对比图谱，以便得到第三白光反射对比图谱；
(5)在所述第三白光反射对比图谱上选取同一波长对应的氧化前后的反射率差值≥15％的任一点，以便得到该点对应的波长λ1；
(6)在观测台的下方设置(λ1-5)～(λ1+5)范围内任一波长对应的滤光片或/和单色激光器，根据观测台上预先做的氧化标记处是否出现不同明暗度的成像，判断氧化孔径是否达到所需尺寸；
其中，λ1的单位为nm，5的单位为nm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实际外延结构包括：
衬底；
衬底上依次生长的缓冲层、N侧布拉格反射镜、底部腔、量子阱、顶部腔、氧化层、P侧布拉格反射镜和表层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括：
在所述N侧布拉格反射镜或所述P侧布拉格反射镜的任一层AlGaAs中增加λ2/2光学厚度的整数倍，其中，λ2表示垂直腔面发射激光器的发光波长。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述N侧布拉格反射镜或所述P侧布拉格反射镜的任一层AlGaAs中增加λ2/2的光学厚度，其中，λ2表示垂直腔面发射激光器的发光波长。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述λ1选择730nm或者750nm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反射率差值选择15％或18％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，预先在观测台上做8μm的氧化标记。
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