CN114944592A - 垂直腔面发射激光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器，包括自下而上依次排列的有源层、氧化限制层、上反射层，所述氧化限制层中间设置有作为出光通道的氧化孔；在所述上反射层中设置有环绕所述出光通道对称分布的高折射率区，所述高折射率区的内缘与所述出光通道的外缘相衔接，所述高折射率区的光折射率大于上反射层中水平方向上其它区域的光折射率，所述高折射率区的底部与氧化限制层的顶部相衔接，所述高折射率区的顶部与上反射层的顶部重合或者低于上反射层的顶部。本发明还公开了一种上述垂直腔面发射激光器的制造方法。相比现有技术，本发明可有效提升激光器的数据传输带宽和数据传输速率。

Description

垂直腔面发射激光器及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种垂直腔面发射激光器及其制造方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）在高密度集成及光纤耦合方面较边发射型激光器存在较大的优势，因此在光通讯等领域拥有极大的应用前景。但因其器件结构存在有源区薄，腔长短，单层增益较小等缺陷，为提高其有效光子限制能力，目前基本采用氧化限制型结构。氧化限制型结构可以减小材料中非辐射复合中心的寿命及对注入到有源区的电流形成有效的限制。
常见的氧化限制型垂直腔面发射激光器的基本结构是由上、下反射层以及中间的有源层和氧化限制层组成，其中的上、下反射层通常采用DBR（distributed Braggreflection，分布式布拉格反射镜）结构。氧化限制层中间设置有氧化孔（通常采用侧壁湿法氧化工艺生成），作为VCSEL的出光通道和电流注入区。以AlGaAs材料的氧化限制层为例，对其进行侧壁氧化后，外圈的氧化限制型DBR材质由AlGaAs变成AlOx，折射率从3.11降低至1.6，而氧化孔处的材质仍为AlGaAs不变。这一折射率梯度可以有效地将有源层发出的光限制在垂直方向，进一步提高激光器的有效光子寿命。
为了获得较大的数据传输带宽和数据传输速率的能力，VCSEL工作状态的电流远大于其阈值电流。工作状态的大电流在有源层产生大量焦耳热，会造成有源层特别是有源层中心区域温度过高。由于DBR材料的折射率会随着温度的升高而变大，位于出光通道中的DBR材料折射率随着温度的升高而变大，进一步扩大了有源层中心区域与有源层边缘处上方DBR材料折射率的差值。过大的折射率梯度使得激光器发出的光在垂直方向更加收拢聚集，产生更多的热，更进一步升高有源层温度。有源层温度过高会造成量子阱的内量子效率降低，量子阱半导体材料的内量子效率随着激光器温度的升高快速降低，会使得激光器的光输出功率降低，严重影响激光器的数据传输带宽和数据传输速率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种具有较高数据传输带宽和数据传输速率的垂直腔面发射激光器。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种垂直腔面发射激光器，包括自下而上依次排列的有源层、氧化限制层、上反射层，所述氧化限制层中间设置有作为出光通道的氧化孔；在所述上反射层中设置有环绕所述出光通道对称分布的高折射率区，所述高折射率区的内缘与所述出光通道的外缘相衔接，所述高折射率区的光折射率大于上反射层中水平方向上其它区域的光折射率，所述高折射率区的底部与氧化限制层的顶部相衔接，所述高折射率区的顶部与上反射层的顶部重合或者低于上反射层的顶部。
优选地，所述高折射率区的径向宽度在竖直方向上保持一致。
优选地，所述高折射率区的径向宽度随着与氧化限制层的距离减小而增大。
进一步优选地，所述高折射率区的径向宽度随着与氧化限制层的距离减小而线性增大。
优选地，所述高折射率区的光折射率与上反射层中水平方向上其它区域的光折射率之间的差值为0.05～0.3。
优选地，所述高折射率区的径向宽度为1μm～5μm。
如上任一技术方案所述垂直腔面发射激光器的制造方法，包括：外延生成有源层、氧化限制层、上反射层的步骤，以及制备所述高折射率区的步骤；所述制备所述高折射率区的步骤具体为：向上反射层中的高折射率区所对应区域进行离子注入以提高该区域的光折射率，从而形成所述高折射率区。
优选地，所述离子注入为O离子注入，或N离子注入，或 Ne 离子注入，或Ar离子注入。
进一步优选地，所述离子注入为O离子注入，注入计量为1E12-5E16/cm2，注入能量为50 Kev -400Kev。
优选地，所述离子注入的掩模为光刻胶。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明通过在氧化限制型VCSEL的上反射层特定区域设置高折射率区，对有源区大电流条件下的温升所导致的折射率梯度进行主动补偿，极大缓解了有源层温度过高所造成的量子阱内量子效率降低的问题，有效提升了激光器的数据传输带宽和数据传输速率；
本发明采用半导体制造过程中常用的离子注入工艺来实现上反射层中高折射率区的制备，对现有VCSEL生产制程的改变较小，工艺简单，实现成本低廉，并且可对高折射率区的位置、尺寸等制程参数进行精准控制，所生产产品的一致性更好。
附图说明
图1为现有氧化限制型VCSEL的基本结构示意图；
图2为本发明第一个具体实施例的纵剖面结构示意图；
图3为本发明第二个具体实施例的纵剖面结构示意图；
图4为第一个具体实施例所使用的光刻胶掩模示意图；
图5为第二个具体实施例所使用的光刻胶掩模示意图。
图中所包含附图标记的含义具体如下：
1、衬底；2、缓冲层；3、N型DBR；4、有源层；5、氧化限制层；6、P型DBR；7、N型电极；8、P型电极；9、介质层；10、温升区；11-1、11-2、高折射率区；D为氧化孔直径。
具体实施方式
针对现有技术不足，本发明的解决思路是通过在氧化限制型VCSEL的上反射层特定区域设置高折射率区，对有源区大电流条件下的温升所导致的折射率梯度进行主动补偿，以缓解有源层温度过高所造成的量子阱内量子效率降低的问题，提升激光器的数据传输带宽和数据传输速率。
图1显示了现有氧化限制型VCSEL的典型结构，如图1所示，其由一系列半导体层结构组成，自下而上依次为衬底1、缓冲层2、N型DBR3、有源层4、氧化层限制层5、P型DBR6、N 型电极7、P 型电极8、介质层9；其中，氧化层限制层5的中间通过侧壁氧化工艺形成一个直径为D的氧化孔，作为出光通道。
DBR是由两种不同折射率的材料以交替层叠的方式组成的周期结构，每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4，可将有源层产生的光沿着氧化孔所定义的出光通道垂直发射。常规DBR中的同一层在水平方向上的折射率是相同的。如果VCSEL工作在较大工作电流下时，会在有源层产生大量焦耳热，会造成有源层特别是有源层中心区域温度过高，如图1所示，这就会导致P型DBR中位于有源层中心区域上方的部分区域温升较高，即图1中的温升区10。由于DBR材料的折射率会随着温度的升高而变大，温升区10与其余部分P型DBR之间的温度差会导致两者之间的光折射率出现较大梯度，这一折射率梯度就会使得激光器发出的光在垂直方向更加收拢聚集，产生更多的热，更进一步升高有源层温度。过高的温升会导致量子阱有源层内量子效率降低，严重影响激光器的数据传输带宽和数据传输速率。
为解决这一问题，本发明提出了以下技术方案：
一种垂直腔面发射激光器，包括自下而上依次排列的有源层、氧化限制层、上反射层，所述氧化限制层中间设置有作为出光通道的氧化孔；在所述上反射层中设置有环绕所述出光通道对称分布的高折射率区，所述高折射率区的内缘与所述出光通道的外缘相衔接，所述高折射率区的光折射率大于上反射层中水平方向上其它区域的光折射率，所述高折射率区的底部与氧化限制层的顶部相衔接，所述高折射率区的顶部与上反射层的顶部重合或者低于上反射层的顶部。
优选地，所述高折射率区的径向宽度在竖直方向上保持一致。
优选地，所述高折射率区的径向宽度随着与氧化限制层的距离减小而增大。
进一步优选地，所述高折射率区的径向宽度随着与氧化限制层的距离减小而线性增大。
根据大量实验分析发现，所述高折射率区的光折射率与上反射层中水平方向上其它区域的光折射率之间的差值最好为0.05～0.3；所述高折射率区的径向宽度最好为1μm～5μm。
为便于公众理解，下面通过两个具体实施例来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
第一个具体实施例的基本结构如图2所示，是在图1氧化限制型VCSEL基础上改进的。为补偿温升区10与P型DBR其余部分之间由于温度差所导致的折射率梯度，如图2所示，该VCSEL在P型DBR中设置有环绕所述出光通道（其直径为D）对称分布的高折射率区11-1，高折射率区11-1的内缘与所述出光通道的外缘相衔接，高折射率区11-1的光折射率大于P型DBR中水平方向上其它区域的光折射率，高折射率区11-1的底部与氧化限制层5的顶部相衔接，高折射率区11-1的顶部与P型DBR的顶部重合或者低于P型DBR的顶部。本实施例中高折射率区11-1的径向宽度在竖直方向上保持一致，为1μm～5μm；高折射率区11-1的光折射率与P型DBR中水平方向上其它区域的光折射率之间的差值为0.05～0.3。当VCSEL处于大电流工作状态时，温升区10的温度升高，其折射率随之升高，由于其***高折射率区11-1的折射率高于温升区10的折射率，此时温升区10随温度升高后的折射率与高折射率区11-1的折射率基本持平，激光器发射的光束不会在垂直方向收拢聚集，而是沿着氧化孔所定义出的出光通道向外发射。
实际上，温升区10内部的温升分布并非均匀的，越靠近有源层中心的部位，其温升也越大，与同层其余部分DBR的折射率差值也越大，因此所需的补偿也应随之增大。基于这一考虑，本发明的一个优选方案为：所述高折射率区的径向宽度随着与氧化限制层的距离减小而增大。这种变化可以是线性变化也可以是非线性变化，从制程实现的难易程度考虑，进一步优选的方案为：所述高折射率区的径向宽度随着与氧化限制层的距离减小而线性增大。图3所示的第二个实施例即体现了这一优选方案，如图3所示，本实施例中高折射率区11-2的径向宽度随着与氧化限制层5的距离减小而线性增大。
为了尽可能减少对现有VCSEL生产制程的改变，降低生产成本，提高制程控制精准度，本发明进一步提出采用离子注入方式来实现高折射率区的制备；所提出的制造方法包括：外延生成有源层、氧化限制层、上反射层的步骤，以及制备所述高折射率区的步骤；所述制备所述高折射率区的步骤具体为：向上反射层中的高折射率区所对应区域进行离子注入以提高该区域的光折射率，从而形成所述高折射率区。
离子注入过程是一个损伤过程，该过程中材料被非晶化，材料的折射率也变大。折射率变化的程度受损伤的程度影响，一般情况下离子越大，损伤越大，折射率变化也越大。但考虑到离子注入准直性和注入深度的共同限制，注入的离子不宜过小和过大；同时还要考虑杂质离子对电性的影响。经综合分析以及大量实验发现，采用N、O、Ne、 Ar作为所注入离子比较合适。
对于以上两个具体实施例的VCSEL，可采用以下方法制造：
1、在衬底上依次外延生长缓冲层2、N型DBR3、有源层4、氧化层限制层5、P型DBR6。
2、在步骤1得到的外延片表面涂布光刻胶，光刻胶膜厚5-15um；对光刻胶曝光显影，采用halftone（半色调掩膜）曝光工艺得到图4圆环形光刻胶，光刻胶与氧化孔同心，光刻胶内直径比氧化孔直径D大0.2-0.8um，光刻胶外直径比氧化孔直径D大1-3um，该光刻胶膜厚恒定；或者图5所示光刻胶，光刻胶与氧化孔同心，该光刻胶截面为梯形结构，上底长度比氧化孔直径D大0.2-0.8um，下底长度比氧化孔直径D大1-3um，中心区域光刻胶膜厚恒定，中心区域径向向外光刻胶膜厚渐变降低，最边缘处光刻胶膜厚5-15um。
3、对步骤2得到的外延片进行离子注入工艺：对P-DBR进行O离子注入，注入计量1E12-5E16/cm2，注入能量50-400Kev，离子注入后去除光刻胶。采用上述离子注入工艺可使得高折射率区11-1、11-2的DBR 折射率增大0.05-0.3。
4、采用ICP干法刻蚀工艺，刻蚀上述步骤3得到的外延片，刻蚀气体为Cl2/BCl3或Cl2/SiCl4，刻蚀P Mesa台阶结构，使得待氧化的高铝层暴露出来，刻蚀一般刻至量子阱层下层1-10对P-DBR。
5、采用湿法氧化工艺氧化将步骤4的高铝层AlGaAs层中的Al氧化，得到具有氧化限制型结构的P Mesa台阶结构。
6、对步骤5完成的外延片进行光刻，仅保留P-Metal区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；P-Metal金属沉积，金属为Ge/Au/Ni/Au，金属总膜厚为0.5-1.5um；去除光刻胶，得到具有P-Metal的外延片。
7、对步骤6得到的外延片光刻，待刻蚀的N-Mesa区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；干刻工艺刻蚀N-Mesa，刻蚀气体为Cl2/BCl3或Cl2/SiCl4，刻蚀至Buffer层。去除光刻胶，得到具有特定N-Mesa结构的外延片。
8、对步骤7得到的外延片光刻，待沉积N-Metal区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；N-Metal金属沉积，金属为Ti/Pt/Au，金属总膜厚为0.5-1.5um；去除光刻胶，得到具有N-Metal的外延片。
9、对步骤8得到的外延片进行裂片，得到图2或图3所示VCSEL激光器。

Claims (10)

1.一种垂直腔面发射激光器，包括自下而上依次排列的有源层、氧化限制层、上反射层，所述氧化限制层中间设置有作为出光通道的氧化孔；其特征在于，在所述上反射层中设置有环绕所述出光通道对称分布的高折射率区，所述高折射率区的内缘与所述出光通道的外缘相衔接，所述高折射率区的光折射率大于上反射层中水平方向上其它区域的光折射率，所述高折射率区的底部与氧化限制层的顶部相衔接，所述高折射率区的顶部与上反射层的顶部重合或者低于上反射层的顶部。
2.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述高折射率区的径向宽度在竖直方向上保持一致。
3.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述高折射率区的径向宽度随着与氧化限制层的距离减小而增大。
4.如权利要求3所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述高折射率区的径向宽度随着与氧化限制层的距离减小而线性增大。
5.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述高折射率区的光折射率与上反射层中水平方向上其它区域的光折射率之间的差值为0.05～0.3。
6.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述高折射率区的径向宽度为1μm～5μm。
7.如权利要求1～6任一项所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，包括：外延生成有源层、氧化限制层、上反射层的步骤，以及制备所述高折射率区的步骤；所述制备所述高折射率区的步骤具体为：向上反射层中的高折射率区所对应区域进行离子注入以提高该区域的光折射率，从而形成所述高折射率区。
8.如权利要求7所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述离子注入为O离子注入，或N离子注入，或 Ne 离子注入，或Ar离子注入。
9.如权利要求8所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述离子注入为O离子注入，注入计量为1E12-5E16/cm2，注入能量为50 Kev -400Kev。
10.如权利要求7所述垂直腔面发射激光器的制造方法，其特征在于，所述离子注入的掩模为光刻胶。
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