CN114614340B - 一种共面电极垂直腔面发射激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体公开了一种共面电极垂直腔面发射激光器及其制备方法，该激光器包括由下到上依次设置的衬底、缓冲层、氧化绝缘层、N型DBR层、下限制层、量子阱有源区、上限制层、氧化限制层、P型DBR层、欧姆接触层，激光器为二级台阶结构，第一台阶和第二台阶的外部沉积有钝化膜，第一台阶和第二台阶的侧面部分区域填充有BCB绝缘介质，第一台阶顶部设置金属正极，第二台阶上设置金属负极。本发明所公开的激光器在缓冲层和N型DBR层之间生长一层氧化绝缘层，经氧化后形成电流的绝缘层，从而将衬底和激光器电极之间进行绝缘，有利于降低激光器的阻抗，并去除后端电路对激光器的影响。

Description

一种共面电极垂直腔面发射激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种共面电极垂直腔面发射激光器及其制备方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器(VCSEL) 具有低成本、低阈值、高速率和低功耗等优点，在短距离的数据通信和并行高速光纤通信等领域中具有非常广泛的应用。按照正负电极的位置，有共面电极结构（正负电极设计在同一面上）和异面电极结构（正负电极不在同一平面）两种器件类型。根据器件、模块的电路或者结构设计会选择不同的电极结构激光器，异面电极VCSEL由于背面是N极金属，背面金属电极会将多个器件相互导通，使用时有信号串扰，无法做成阵列（array）产品。共面电极VCSEL具有电容低的优点，在高速率应用中有一定的优势。
在10Gb/s以上的高速应用中，共面电极VCSEL的衬底需要选用半绝缘衬底。由于含掺杂的衬底缺陷较少、质量好、价格相对便宜而得到普遍应用，因此目前大部分VCSEL的衬底都是N型掺杂GaAs衬底。这样的衬底会有导电性，因此共面电极VCSEL衬底会对激光器引入并联电容，带来高频滚降，降低激光器的高速性能；同时，共面电极VCSEL在应用时背面通过导电银胶焊接到电路中（一般背面是接地GND），由于衬底的导通性，VCSEL的正负电极和GND之间会形成电势差，从而对激光器造成额外的影响，长期使用带来可靠性的风险。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种共面电极垂直腔面发射激光器及其制备方法，以达到在缓冲层和N型DBR层之间生长一层氧化绝缘层，经氧化后形成电流的绝缘层，从而将衬底和激光器电极之间进行绝缘，有利于降低激光器的阻抗，并去除后端电路对激光器的影响。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种共面电极垂直腔面发射激光器，包括由下到上依次设置的衬底、缓冲层、氧化绝缘层、N型DBR层、下限制层、量子阱有源区、上限制层、氧化限制层、P型DBR层、欧姆接触层，所述激光器为二级台阶结构，第一台阶从上到下刻蚀至3-10对N型DBR层的位置，第二台阶从上到下刻蚀至氧化绝缘层和缓冲层的交界处，第一台阶和第二台阶的外部沉积有钝化膜，所述第一台阶和第二台阶的侧面部分区域填充有BCB绝缘介质，所述第一台阶顶部设置金属正极，第二台阶上设置金属负极。
上述方案中，所述氧化绝缘层材料为AlAs经氧化后形成的Al2O3，所述氧化绝缘层厚度为10-15nm。
上述方案中，所述氧化限制层材料为AlxGa1-xAs或AlAs，其中x=0.96-1.0，所述氧化限制层四周被氧化为Al2O3，中心区域未被氧化，所述氧化限制层厚度为15-25nm。
上述方案中，所述衬底为n型掺杂的GaAs衬底，所述缓冲层材料为GaAs，所述缓冲层厚度为15-25nm。
上述方案中，所述N型DBR层和P型DBR层均为AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs交替生长而成，其中x=0.1-0.2，y=0.8-1.0，所述N型DBR层包括20-40对N型DBR，P型DBR层包括20-40对P型DBR。
上述方案中，所述下限制层和上限制层材料为AlxGa1-xAs，其中x=0.3-0.6。
上述方案中，所述量子阱有源区材料为AlxGa1-xAs和GaAs交替生长而成，其中x=0.3-0.35，或InxGa1-x As和AlyGa1-y As交替生长而成 ，其中x=0.05-0.1，y=0.3-0.35，所述量子阱有源区厚度为5-8nm。
上述方案中，所述欧姆接触层材料为GaAs，厚度为15-25nm。
一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，包括如下步骤：
（1）选择一个n型掺杂的GaAs衬底，在衬底上依次生长缓冲层、氧化绝缘层、N型DBR层、下限制层、量子阱有源区、上限制层、氧化限制层、P型DBR层和欧姆接触层，制成一个外延片；
（2）对外延片进行干法刻蚀，刻蚀出两个台阶，第一台阶从上到下刻蚀至3-10对N型DBR层的位置，第二台阶从上到下刻蚀至氧化绝缘层和缓冲层的交界处；
（3）将第一台阶采用PECVD工艺沉积一层Si3N4或者SiO2薄膜作为掩膜，覆盖住氧化限制层；
（4）采用湿法氧化工艺将氧化绝缘层进行全层氧化，氧化时间保证整层都被完全氧化掉；
（5）蚀刻去除第一台阶的掩膜，然后继续进行湿法氧化工艺，将氧化限制层进行部分氧化，控制氧化时间氧化出所需要的孔径；
（6）采用PECVD工艺对衬底上方部分沉积一层Si3N4或者SiO2钝化膜；再在第一台阶和第二台阶的侧面部分区域填充BCB绝缘介质；再通过磁控溅射技术在第一台阶顶部溅射金属正极，在第二台阶上溅射金属负极；最后将衬底进行研磨减薄达到需要的器件厚度。
上述方案中，所述湿法氧化工艺过程为：将外延片放入氧化炉，氧化炉升温至380~420℃，水温设定为92~98℃，通氮气排除氧化炉内多余的空气，流量为0.5~2L/min，稳定15~25min；然后开始通水汽和氮气，流量为3~6L/min，控制氧化时间保证氧化绝缘层被完全氧化掉，或者氧化限制层被氧化出所需要的孔径大小。
通过上述技术方案，本发明提供的一种共面电极垂直腔面发射激光器及其制备方法具有如下有益效果：
本发明在缓冲层和N型DBR层之间生长一层氧化绝缘层，经氧化后形成电流的绝缘层，从而将衬底和激光器电极之间进行绝缘，实现共面电极VCSEL的衬底绝缘功能，有利于降低激光器的阻抗，并去除后端电路对激光器的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种共面电极垂直腔面发射激光器示意图；
图2为本发明实施例所公开的一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法流程图。
图中，1、衬底；2、缓冲层；3、氧化绝缘层；4、N型DBR层；5、下限制层；6、量子阱有源区；7、上限制层；8、氧化限制层；9、P型DBR层；10、欧姆接触层；11、第一台阶；12、第二台阶；13、钝化膜；14、BCB绝缘介质；15、金属正极；16、金属负极。
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。
本发明提供了一种共面电极垂直腔面发射激光器，包括由下到上依次设置的衬底1、缓冲层2、氧化绝缘层3、N型DBR层4、下限制层5、量子阱有源区6、上限制层7、氧化限制层8、P型DBR层9、欧姆接触层10。激光器为二级台阶结构，第一台阶11从上到下刻蚀至3-10对N型DBR层4的位置，第二台阶12从上到下刻蚀至氧化绝缘层3和缓冲层2的交界处，第一台阶11和第二台阶12的外部沉积有钝化膜13，第一台阶11和第二台阶12的侧面部分区域填充有BCB绝缘介质14，第一台阶11顶部设置金属正极15，第二台阶12上设置金属负极16。
本实施例中，氧化绝缘层3材料为AlAs经氧化后形成的Al2O3，氧化绝缘层3厚度为10-15nm。
氧化限制层8材料为AlxGa1-xAs或AlAs，其中x=0.96-1.0，本实施例中，可选择常用的Al0.98Ga0.02As，氧化限制层8四周被氧化为Al2O3，中心区域未被氧化，氧化限制层8厚度为15-25nm。
衬底1为n型掺杂的GaAs衬底1，缓冲层2材料为GaAs，缓冲层2厚度为15-25nm。选用的现成的衬底1可能存在缺陷，因此，需在其上沉积一层相同材料的缓冲层2，保证外延片以上材料生长符合要求。
N型DBR层4和P型DBR层9均为AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs交替生长而成，其中x=0.1-0.2，y=0.8-1.0，本实施例中，N型DBR层4和P型DBR层9均选择Al0.12Ga0.88As和Al0.9Ga0.1As交替生长而成。N型DBR层4包括20-40对N型DBR，P型DBR层9包括20-40对P型DBR。本实施例中，N型DBR层4中，每对DBR的光学厚度为发射激光波长的二分之一，根据反射率决定N型DBR的生长对数，保证反射率可以在99.0%~99.8%之间，如34对。P型DBR层9中，每对DBR的光学厚度为发射激光波长的二分之一，P型 DBR的生长对数保证反射率在99.9%~99.96%之间，如23对。
下限制层5和上限制层7材料为AlxGa1-xAs，其中x=0.3-0.6。
量子阱有源区6材料为AlxGa1-xAs和GaAs交替生长而成，其中x=0.3-0.35，或InxGa1-x As和AlyGa1-y As交替生长而成 ，其中x=0.05-0.1，y=0.3-0.35，量子阱有源区6厚度为5-8nm。
欧姆接触层10材料为GaAs，厚度为15-25nm。
一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，如图2所示，包括如下步骤：
（1）选择一个n型掺杂的GaAs衬底1，在衬底1上依次生长缓冲层2、氧化绝缘层3、N型DBR层4、下限制层5、量子阱有源区6、上限制层7、氧化限制层8、P型DBR层9和欧姆接触层10，制成一个外延片；
（2）对外延片进行干法刻蚀，刻蚀出两个台阶，第一台阶11从上到下刻蚀至3-10对N型DBR层4的位置，台阶直径为20-30μm，第二台阶12从上到下刻蚀至氧化绝缘层3和缓冲层2的交界处，台阶直径为45-55μm；
（3）将第一台阶11采用PECVD工艺沉积一层Si3N4或者SiO2薄膜作为掩膜，覆盖住氧化限制层8，厚度为120nm~180nm；
（4）采用湿法氧化工艺将氧化绝缘层3进行全层氧化，从而将衬底1和N型DBR层4及以上部分绝缘。湿法氧化工艺过程为：将外延片放入氧化炉，氧化炉升温至380~420℃，水温设定为92~98℃，通氮气排除氧化炉内多余的空气，流量为0.5~2L/min，稳定15~25min；然后开始通水汽和氮气，流量为3~6L/min，控制氧化时间保证氧化绝缘层3被完全氧化掉；
（5）蚀刻去除第一台阶11的掩膜，然后继续进行湿法氧化工艺，将氧化限制层8进行部分氧化，湿法氧化工艺过程为：将外延片放入氧化炉，氧化炉升温至380~420℃，水温设定为92~98℃，通氮气排除氧化炉内多余的空气，流量为0.5~2L/min，稳定15~25min；然后开始通水汽和氮气，流量为3~6L/min，氧化时间根据需要的孔径大小而定；
（6）采用PECVD工艺对衬底1上方部分沉积一层Si3N4或者SiO2钝化膜13；再在第一台阶11和第二台阶12的侧面部分区域填充BCB绝缘介质14；再通过磁控溅射技术在第一台阶11顶部溅射金属正极15，在第二台阶12上溅射金属负极16；金属正极15和金属负极16的材料为依次沉积的 Ti、Pt、Au或者依次沉积的Au、Ge、Ni、Au；最后将衬底1进行研磨减薄达到需要的器件厚度。
上述所说的采用湿法氧化工艺形成对电流的限制也可采用的离子注入等方法实现。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，该激光器包括由下到上依次设置的衬底、缓冲层、氧化绝缘层、N型DBR层、下限制层、量子阱有源区、上限制层、氧化限制层、P型DBR层、欧姆接触层，所述激光器为二级台阶结构，第一台阶从上到下刻蚀至3-10对N型DBR层的位置，第二台阶从上到下刻蚀至氧化绝缘层和缓冲层的交界处，第一台阶和第二台阶的外部沉积有钝化膜，所述第一台阶和第二台阶的侧面部分区域填充有BCB绝缘介质，所述第一台阶顶部设置金属正极，第二台阶上设置金属负极；
制备方法，包括如下步骤：
（1）选择一个n型掺杂的GaAs衬底，在衬底上依次生长缓冲层、氧化绝缘层、N型DBR层、下限制层、量子阱有源区、上限制层、氧化限制层、P型DBR层和欧姆接触层，制成一个外延片；
（2）对外延片进行干法刻蚀，刻蚀出两个台阶，第一台阶从上到下刻蚀至3-10对N型DBR层的位置，第二台阶从上到下刻蚀至氧化绝缘层和缓冲层的交界处；
（3）将第一台阶采用PECVD工艺沉积一层Si3N4或者SiO2薄膜作为掩膜，覆盖住氧化限制层；
（4）采用湿法氧化工艺将氧化绝缘层进行全层氧化，氧化时间保证整层都被完全氧化掉；
（5）蚀刻去除第一台阶的掩膜，然后继续进行湿法氧化工艺，将氧化限制层进行部分氧化，控制氧化时间氧化出所需要的孔径；
（6）采用PECVD工艺对衬底上方部分沉积一层Si3N4或者SiO2钝化膜；再在第一台阶和第二台阶的侧面部分区域填充BCB绝缘介质；再通过磁控溅射技术在第一台阶顶部溅射金属正极，在第二台阶上溅射金属负极；最后将衬底进行研磨减薄达到需要的器件厚度。
2.根据权利要求1所述的一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述氧化绝缘层材料为AlAs经氧化后形成的Al2O3，所述氧化绝缘层厚度为10-15nm。
3.根据权利要求1所述的一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述氧化限制层材料为AlxGa1-xAs或AlAs，其中x=0.96-1.0，所述氧化限制层四周被氧化为Al2O3，中心区域未被氧化，所述氧化限制层厚度为15-25nm。
4.根据权利要求1所述的一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述衬底为n型掺杂的GaAs衬底，所述缓冲层材料为GaAs，所述缓冲层厚度为15-25nm。
5.根据权利要求1所述的一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述N型DBR层和P型DBR层均为AlxGa1-xAs和AlyGa1-yAs交替生长而成，其中x=0.1-0.2，y=0.8-1.0，所述N型DBR层包括20-40对N型DBR，P型DBR层包括20-40对P型DBR。
6.根据权利要求1所述的一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述下限制层和上限制层材料为AlxGa1-xAs，其中x=0.3-0.6。
7.根据权利要求1所述的一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述量子阱有源区材料为AlxGa1-xAs和GaAs交替生长而成，其中x=0.3-0.35，或InxGa1-x As和AlyGa1-y As交替生长而成 ，其中x=0.05-0.1，y=0.3-0.35，所述量子阱有源区厚度为5-8nm。
8.根据权利要求1所述的一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述欧姆接触层材料为GaAs，厚度为15-25nm。
9.根据权利要求1所述的一种共面电极垂直腔面发射激光器的制备方法，其特征在于，所述湿法氧化工艺过程为：将外延片放入氧化炉，氧化炉升温至380~420℃，水温设定为92~98℃，通氮气排除氧化炉内多余的空气，流量为0.5~2L/min，稳定15~25min；然后开始通水汽和氮气，流量为3~6L/min，控制氧化时间保证氧化绝缘层被完全氧化掉，或者氧化限制层被氧化出所需要的孔径大小。
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