CN113193478B - 一种非氧化工艺薄膜vcsel光源结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米级VCSEL器件制备技术领域，提供了一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，包括如下步骤：S1，生长不含氧化层的外延片；S2，于所述外延片上制备掩膜，然后进行刻蚀得到待继续加工的薄膜VCSEL；S3，对所述S2步骤中得到的薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤进行修复，并将修复后的薄膜VCSEL剥离下来；S4，将剥离下来的薄膜VCSEL转移至绝缘衬底层，接着制备薄膜VCSEL的P型电极接触窗口和N型电极接触窗口；S5，于所述P型电极接触窗口和所述N型电极接触窗口上分别制备P型电极和N型电极，以完成非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备。本发明采用非对称电流注入孔径设计，薄膜长边的散射损耗恒小于短轴散射损耗，出射的偏振光通过散射损耗的选择作用以长边为主。

Description

一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米级VCSEL器件制备技术领域，具体为一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法。
背景技术
随着大数据、第五代移动通信技术以及原子钟等高新技术的发展，光网络信息处理不断增加、高密度宽带通信不断提高，因此作为光电子器件领域研究的重要半导体激光光源之一，具有高偏振抑制比的高性能垂直腔面发射激光器越来越受到人们关注。传统的垂直腔面发射激光器，由于VCSEL材料各向同性的折射率以及对称的接近圆柱型结构的谐振腔，对激光的偏振状态没有选择作用。器件实际工作过程中，注入电流或者工作温度变化时，会导致激光偏振状态的随机跳变，在器件工作时产生信号的串扰，影响原子钟等一系列“偏振敏感”器件正常工作。为实现VCSEL的稳定偏振，人们采用外光反馈；制备出各向异性不同形状的氧化孔(包括椭圆形、菱形、哑铃型等)；制备光栅、亚波长光栅等手段，但无一例外，均工艺复杂、不适合量产。且所有采用的工艺方案均涉及湿法氧化工艺。因VCSEL中氧化孔径的大小直接影响到器件在阈值电流密度、光电转换效率、激射光模式等性能方面的表现，所以氧化深度需要精确控制。由于现存氧化工艺复杂性高，稳定性差，精度难以控制到纳米级别等诸多因素，微型VCSEL光源一直难以实现。同时，由于氧化物和半导体之间热膨胀系数的差异，氧化物孔处会产生应力，降低了VCSEL的可靠性，尤其对于小孔径的VCSEL影响更是不可忽视。另一方面，AlxO1y的导热系数约为0.7W/mK，而GaAs和AlAs的导热系数约为50W/mK，氧化孔处的热扩散不良也会限制激光二极管的功率和调制带宽。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，包括如下步骤：
S1，生长不含氧化层的外延片；
S2，于所述外延片上制备掩膜，然后进行刻蚀得到待继续加工的薄膜VCSEL；
S3，对所述S2步骤中得到的薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤进行修复，并将修复后的薄膜VCSEL剥离下来；
S4，将剥离下来的薄膜VCSEL转移至绝缘衬底层，接着制备薄膜VCSEL的P型电极接触窗口和N型电极接触窗口；
S5，于所述P型电极接触窗口和所述N型电极接触窗口上分别制备P型电极和N型电极，以完成非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备。
进一步，所述S1步骤中，所述外延片的制备具体为：在GaAs衬底上生长N型GaAs缓冲层、N型布拉格反射镜层、量子阱层以及P型布拉格反射镜层，以得到所述外延片，所述外延片中不含高铝组分氧化层。
进一步，在所述S2步骤中，采用ICP刻蚀，然后使用RIE设备将顶端残留的掩膜刻蚀干净。
进一步，在所述外延片包括依次生长的GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、N型布拉格反射镜层、量子阱层以及P型布拉格反射镜层时，刻蚀深度在7～8μm，刻穿所述N型GaAs缓冲层至所述GaAs衬底。
进一步，在所述S3步骤中，修复具体包括：先通过酸洗以减少薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤，另一部分为在酸洗完成后进行退火，进一步修复薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤。
进一步，酸洗采用磷酸、双氧水和水溶液，所述磷酸、所述双氧水和所述水溶液的比例为3:1:20，酸洗10～15秒；退火是在N2氛围下300℃进行20min。
进一步，在所述S4步骤中，在转移至绝缘衬底层后，并在制备P型电极接触窗口和N型电极接触窗口前，对薄膜VCSEL的侧壁进行钝化处理。
进一步，钝化处理具体包括：在绝缘衬底层上生长侧壁钝化保护层，所述侧壁钝化保护层为四分之一光学厚度的奇数倍。
进一步，在所述S4步骤中，采用电子束曝光工艺制作所述P型电极接触窗口和所述N型电极接触窗口，然后使用RIE设备将接触窗口处的所述侧壁钝化保护层刻蚀干净。
进一步，在P型电极和N型电极制备完成后，使用RTP对整个器件进行快速退火。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，采用非对称电流注入孔径设计，薄膜长边的散射损耗恒小于短轴散射损耗，出射的偏振光通过散射损耗的选择作用以长边为主。同时薄膜结构加大了长短边尺寸差异，长边方向与短边方向引入明显差异的散射损耗，两偏振方向的非对称性强，增强偏振的选择性。同时纳米级VCSEL尺度电流限制能力强，使VCSEL阈值极低并提高了光电转换效率。不含氧化层的非氧化工艺，有效降低了VCSEL热阻，提高了调制带宽和输出功率。同时避免了繁琐的氧化工艺，极大的降低的生产过程中的不稳定因素，提高了生产效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的顶视图；
图3为本发明实施例提供的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的截面图；
附图标记中：1-N型布拉格反射镜层；2-量子阱层；3-P型布拉格反射镜层；4-SiO2绝缘层；5-本征Si衬底；6-侧壁钝化保护层；7-N型电极；8-P型电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图3，本发明实施例提供一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，包括如下步骤：S1，生长不含氧化层的外延片；S2，于所述外延片上制备掩膜，然后进行刻蚀得到待继续加工的薄膜VCSEL；S3，对所述S2步骤中得到的薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤进行修复，并将修复后的薄膜VCSEL剥离下来；S4，将剥离下来的薄膜VCSEL转移至绝缘衬底层，接着制备薄膜VCSEL的P型电极接触窗口和N型电极接触窗口；S5，于所述P型电极接触窗口和所述N型电极接触窗口上分别制备P型电极8和N型电极7，以完成非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备。优选的，在所述S4步骤中，在转移至绝缘衬底层后，并在制备P型电极接触窗口和N型电极接触窗口前，对薄膜VCSEL的侧壁进行钝化处理。在本实施例中，采用非对称电流注入孔径设计，薄膜长边的散射损耗恒小于短轴散射损耗，出射的偏振光通过散射损耗的选择作用以长边为主。同时薄膜结构加大了长短边尺寸差异，长边方向与短边方向引入明显差异的散射损耗，两偏振方向的非对称性强，增强偏振的选择性。同时纳米级VCSEL尺度电流限制能力强，使VCSEL阈值极低并提高了光电转换效率。不含氧化层的非氧化工艺，有效降低了VCSEL热阻，提高了调制带宽和输出功率。同时避免了繁琐的氧化工艺，极大的降低的生产过程中的不稳定因素，提高了生产效率。优选的，掩膜为SiO2绝缘层4。
以下为具体实施例：
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图3，所述S1步骤中，所述外延片的制备具体为：在GaAs衬底上生长N型GaAs缓冲层、N型布拉格反射镜层1、量子阱层2以及P型布拉格反射镜层3，以得到所述外延片，所述外延片中不含高铝组分氧化层。在本实施例中，外延片是由GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、N型布拉格反射镜层1、量子阱层2以及P型布拉格反射镜层3组成，由于没有氧化层，可以有效降低VCSEL热阻，提高了调制带宽和输出功率。同时避免了繁琐的氧化工艺，极大的降低的生产过程中的不稳定因素，提高了生产效率。优选的，生长的外延片的厚度为1000～1200nm，长度在3～4μm，而所用掩膜为SiO2掩膜，其宽度在0.8～1.2μm。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图3，在所述S2步骤中，采用ICP刻蚀，然后使用RIE设备将顶端残留的掩膜刻蚀干净。优选的，在所述外延片包括依次生长的GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、N型布拉格反射镜层1、量子阱层2以及P型布拉格反射镜层3时，刻蚀深度在7～8μm，刻穿所述N型GaAs缓冲层至所述GaAs衬底。在本实施例中，使用ICP设备刻蚀形成薄膜VCSEL，刻蚀气体为Cl2，BCL3。刻蚀深度约7～8um，刻穿GaAs缓冲层至N型GaAs衬底。然后使用RIE设备将顶端残留SiO2掩膜刻蚀干净，刻蚀气体为O2，SF6。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图3，在所述S3步骤中，修复具体包括：先通过酸洗以减少薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤，另一部分为在酸洗完成后进行退火，进一步修复薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤。优选的，酸洗采用磷酸、双氧水和水溶液，所述磷酸、所述双氧水和所述水溶液的比例为3:1:20，酸洗10～15秒；退火是在N2氛围下300℃进行20min。在本实施例中，如此酸洗可以减少薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤，漂洗完成后马上在高纯N2氛围下进行退火，即可进一步修复薄膜VCSEL侧壁刻蚀损伤。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图3，在所述S4步骤中，在转移至绝缘衬底层后，并在制备P型电极接触窗口和N型电极接触窗口前，对薄膜VCSEL的侧壁进行钝化处理。优选的，钝化处理具体包括：在绝缘衬底层上生长侧壁钝化保护层6，所述侧壁钝化保护层6为四分之一光学厚度的奇数倍。在所述S4步骤中，采用电子束曝光工艺制作所述P型电极接触窗口和所述N型电极接触窗口，然后使用RIE设备将接触窗口处的所述侧壁钝化保护层6刻蚀干净。在本实施例中，侧壁钝化保护层6为SixNy薄膜或SiO2薄膜，即在承载薄膜VCSEL的SiO2绝缘层4的表面继续生长SixNy薄膜或SiO2薄膜，作为薄膜VCSEL的侧壁钝化保护层6，以减少薄膜VCSEL侧壁的漏电流，减小阈值，同时SixNy薄膜或SiO2薄膜也做为薄膜VCSEL出光面的增透膜。SixNy薄膜或SiO2薄膜厚度为四分之一个光学厚度的奇数倍。用电子束曝光工艺，得到的薄膜VCSEL的P型布拉格反射镜层3和N型布拉格反射镜层1上方分别制作P型电极接触窗口和所述N型电极接触窗口，使用RIE设备将触窗口处的SixNy薄膜或SiO2薄膜刻蚀干净。采用电子束曝光工艺，在得到的薄膜VCSEL上分别制备P型电极8和N型电极7，P型电极8的材料为Ti/Pt/Au，厚度分别为60nm/80nm/250nm；N型电极7的材料为Ge/Ni/Au合金-Au，厚度分别为50nm/350nm。优选的，绝缘衬底层包括本征Si衬底5以及在本征Si衬底5上生长的SiO2绝缘层4。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图3，在P型电极8和N型电极7制备完成后，使用RTP对整个器件进行快速退火。在本实施例中，使用RTP对整个器件进行快速退火，退火条件为420℃度30秒，待炉内温度降至室温时取出。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，生长不含氧化层的外延片；
S2，于所述外延片上制备掩膜，然后进行刻蚀得到待继续加工的薄膜VCSEL；
S3，对所述S2步骤中得到的薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤进行修复，并将修复后的薄膜VCSEL剥离下来；
S4，将剥离下来的薄膜VCSEL转移至绝缘衬底层，接着制备薄膜VCSEL的P型电极接触窗口和N型电极接触窗口；
S5，于所述P型电极接触窗口和所述N型电极接触窗口上分别制备P型电极和N型电极，以完成非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备；
采用非对称电流注入孔径设计，使所述薄膜的长边的散射损耗恒小于短轴散射损耗，出射的偏振光通过散射损耗的选择作用以长边为主。
2.如权利要求1所述的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中，所述外延片的制备具体为：在GaAs衬底上生长N型GaAs缓冲层、N型布拉格反射镜层、量子阱层以及P型布拉格反射镜层，以得到所述外延片，所述外延片中不含高铝组分氧化层。
3.如权利要求1所述的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：在所述S2步骤中，采用ICP刻蚀，然后使用RIE设备将顶端残留的掩膜刻蚀干净。
4.如权利要求3所述的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：在所述外延片包括依次生长的GaAs衬底、N型GaAs缓冲层、N型布拉格反射镜层、量子阱层以及P型布拉格反射镜层时，刻蚀深度在7～8μm，刻穿所述N型GaAs缓冲层至所述GaAs衬底。
5.如权利要求1所述的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于，在所述S3步骤中，修复具体包括：先通过酸洗以减少薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤，另一部分为在酸洗完成后进行退火，进一步修复薄膜VCSEL的侧壁刻蚀损伤。
6.如权利要求5所述的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于，酸洗采用磷酸、双氧水和水溶液，所述磷酸、所述双氧水和所述水溶液的比例为3:1:20，酸洗10～15秒；退火是在N2氛围下300℃进行20min。
7.如权利要求1所述的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：在所述S4步骤中，在转移至绝缘衬底层后，并在制备P型电极接触窗口和N型电极接触窗口前，对薄膜VCSEL的侧壁进行钝化处理。
8.如权利要求7所述的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于，钝化处理具体包括：在绝缘衬底层上生长侧壁钝化保护层，所述侧壁钝化保护层为四分之一光学厚度的奇数倍。
9.如权利要求8所述的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：在所述S4步骤中，采用电子束曝光工艺制作所述P型电极接触窗口和所述N型电极接触窗口，然后使用RIE设备将接触窗口处的所述侧壁钝化保护层刻蚀干净。
10.如权利要求1所述的一种非氧化工艺薄膜VCSEL光源结构的制备方法，其特征在于：在P型电极和N型电极制备完成后，使用RTP对整个器件进行快速退火。
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