專利名稱：空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)及其制備方法屬半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)是一種由多層半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，從表面出射激光的光學(xué)器件，主要由上、下分布布拉格反射鏡(DBR)和夾在中間的有源區(qū)三大部分構(gòu)成，其中分布布拉格反射鏡是由兩種或者多種折射率不同的半導(dǎo)體或者介質(zhì)材料周期性交替生長(zhǎng)構(gòu)成。有源區(qū)提供光增益，上、下分布布拉格反射鏡提供反饋，并形成諧振腔?？諝庵痛怪鼻幻姘l(fā)射激光器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，具有工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，為大多數(shù)產(chǎn)品所采用。其工藝制備流程如圖2所示，首先采用干法或濕法腐蝕技術(shù)腐蝕上分布布拉格反射鏡2，將掩埋在有源區(qū)單元6和上分布布拉格反射鏡2之間的AlxGa1-xAs(x≥0.9)層4的側(cè)壁暴露，置于高溫、N2攜帶的水汽中，通過(guò)控制氧化時(shí)間控制氧化厚度，在AlxGa1-xAs(x≥0.9)層4的中心留有一定尺寸的未氧化的孔徑，周圍形成絕緣的，折射率降低的氧化物，p型歐姆接觸電極制備完成后，背面減薄、拋光，再制備n型電極，合金后解理，得到空氣柱型結(jié)構(gòu)的垂直腔面發(fā)射激光器件。電流通過(guò)電極經(jīng)過(guò)未氧化的孔徑注入到有源區(qū)，發(fā)出激光。常用的干法刻蝕系統(tǒng)有感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕機(jī)，反應(yīng)離子刻蝕機(jī)(RIE)等。
然而等離子干法刻蝕和化學(xué)濕法腐蝕方法本身對(duì)于制備空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器具有以下幾個(gè)缺點(diǎn)1.等離子干法刻蝕和化學(xué)濕法腐蝕兩種方法均無(wú)法精確的控制腐蝕深度。
通常腐蝕速率是個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，研究人員在進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)摸索后，通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)腐蝕深度換算成有一定誤差的腐蝕速率。腐蝕速率是有一定范圍的，不是精確值，而且隨著周圍環(huán)境的變化，腐蝕速率也隨之變化，因此實(shí)驗(yàn)中往往得不到精確設(shè)計(jì)的腐蝕深度。腐蝕深度過(guò)淺，不能實(shí)現(xiàn)AlxGa1-xAs(x≥0.9)層4的濕氮氧化工藝；腐蝕深度過(guò)深，將破壞有源區(qū)單元6，影響垂直腔面發(fā)射激光器的性能和壽命。
2.兩種方法均無(wú)法獲得平整的腐蝕表面。
根據(jù)等離子干法刻蝕的工作原理，除去等離子體和刻蝕材料之間的化學(xué)反應(yīng)外，還有原子對(duì)刻蝕表面的轟擊作用。由于原子間相互碰撞，加之這種轟擊作用對(duì)表面的狀況敏感，如掩膜的邊緣，表面的殘留物等，刻蝕的表面粗糙。圖3顯示了放大倍數(shù)為3.265萬(wàn)倍的ICP刻蝕GaN材料刻蝕界面的掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試結(jié)果，明顯的可從測(cè)試結(jié)果中看出刻蝕的表面粗糙，且高低起伏不平整。這種不平整將引起較大的光學(xué)散射損耗，反向漏電流增大等。同時(shí)由于物理轟擊作用，對(duì)有源區(qū)單元6損傷較大，降低器件的光學(xué)效率。
化學(xué)濕法腐蝕雖然成本低，對(duì)側(cè)壁和有源區(qū)引起的光學(xué)散射損耗小，但其缺點(diǎn)是無(wú)法控制腐蝕表面宏觀的平整度，通常腐蝕1μm的深度，表面會(huì)有約200～300nm的高低起伏差，這種現(xiàn)象通過(guò)人眼觀察樣品顏色的均勻性就能容易的判斷腐蝕的宏觀均勻性。
還有，干法刻蝕系統(tǒng)存在昂貴，成本高，需要抽真空，工藝流程長(zhǎng)，干法刻蝕技術(shù)難度大，難掌握等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)及其制備方法，將傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)——化學(xué)濕法腐蝕技術(shù)運(yùn)用到空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的制備中，而可以不使用昂貴的干法刻蝕系統(tǒng)，大大降低垂直腔面發(fā)射激光器的制作成本，同時(shí)由于運(yùn)用精確控制腐蝕深度的方法，能夠保證獲得平整度為原子量級(jí)的、光亮的腐蝕表面；化學(xué)濕法腐蝕比干法刻蝕對(duì)電學(xué)和光學(xué)特性損傷小，能夠提高器件的性能和可靠性；由于干法刻蝕機(jī)通常需要抽真空，而化學(xué)濕法腐蝕操作起來(lái)簡(jiǎn)單易行，省時(shí)間，本發(fā)明提供的方法和結(jié)構(gòu)有利于提高生產(chǎn)效率。
本發(fā)明提供的一種空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括有依次縱向?qū)盈B從上往下排列的p型歐姆接觸層1，上分布布拉格反射鏡2，AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4，有源區(qū)單元6，下分布布拉格反射鏡7，緩沖層8，襯底9和n型電極10，其中有源區(qū)單元6由自上而下依次排列的p型限制層11、增益區(qū)12、n型限制層13所構(gòu)成，特征在于在上分布布拉格反射鏡2和AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4之間設(shè)置有腐蝕停層3及AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4和有源區(qū)單元6中的p型限制層11之間設(shè)置有相位補(bǔ)償層5。
本發(fā)明中要求腐蝕停層3、Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層4和相位補(bǔ)償層5總光學(xué)厚度滿足 的整數(shù)倍，其中λ為垂直腔面發(fā)射激光器激射波長(zhǎng)。
本發(fā)明中腐蝕停層3要求分別與其上下相鄰的上分布布拉格反射鏡2和Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層4的材料具有選擇性腐蝕，相位補(bǔ)償層5要求與其上相鄰的AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4具有選擇性腐蝕。選擇性腐蝕是指某種化學(xué)腐蝕液對(duì)一種材料腐蝕速率很高，而對(duì)另外的一種材料腐蝕速率很低，基本認(rèn)為在短時(shí)間內(nèi)不腐蝕該種材料，因此當(dāng)該種腐蝕液將前一種材料腐蝕完后，基本到達(dá)兩種材料的生長(zhǎng)界面。由于現(xiàn)代的材料生長(zhǎng)技術(shù)保證了原子量級(jí)的生長(zhǎng)界面，如金屬有機(jī)氣相化學(xué)淀積(MOCVD)或者分子束外延(MBE)，所以腐蝕界面的平整度為原子量級(jí)的平整度。
本發(fā)明中上分布布拉格反射鏡2、腐蝕停層3、AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4和相位補(bǔ)償層5的順序生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使得上分布布拉格反射鏡2與腐蝕停層3之間，腐蝕停層3與AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4之間，AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4與相位補(bǔ)償層5之間均存在選擇性腐蝕，保證了AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4的側(cè)壁能夠重復(fù)的，充分的暴露，保證了工藝的重復(fù)性。
本發(fā)明中有源區(qū)單元6中增益區(qū)12的結(jié)構(gòu)可為PN結(jié)，或PIN結(jié)，或雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，或單量子阱結(jié)構(gòu)，或多量子阱結(jié)構(gòu)，或多有源區(qū)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，或量子點(diǎn)發(fā)光結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明采用的上分布布拉格反射鏡2和下分布布拉格反射鏡7結(jié)構(gòu)均是由多對(duì)兩種具有高、低折射率的半導(dǎo)體材料，或者在這兩種高低折射率材料之間有過(guò)渡層的多種半導(dǎo)體材料交替生長(zhǎng)組成。分布布拉格反射鏡材料可以是半導(dǎo)體材料，由金屬有機(jī)氣相化學(xué)淀積或者分子束外延生長(zhǎng)方法完成，也可是兩種折射率差較大的介質(zhì)材料，由蒸發(fā)或者濺射等淀積方法完成。上分布布拉格反射鏡2和下分布布拉格反射鏡7可以進(jìn)行摻雜。
本發(fā)明中襯底9可以是GaAs和InP襯底，緩沖層8相應(yīng)的為GaAs或者InP材料。
本發(fā)明通過(guò)在p型歐姆接觸電極1和n型歐姆接觸電極10間通電流，獲得激光輸出。
本發(fā)明提出的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法思路，如圖5所示，首先采用選擇性腐蝕方法濕法腐蝕上分布布拉格反射鏡2至腐蝕停層3，再分別采用選擇性濕法腐蝕腐蝕停層3和AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4到相位補(bǔ)償層5，然后進(jìn)行濕氮氧化，在p型歐姆接觸電極制備完成后，減薄，拋光，制備n型歐姆接觸電極，合金，解理，得到空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器。
本發(fā)明提供的一種空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟(1)采用現(xiàn)有技術(shù)中的金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法或者分子束外延(MBE)方法在襯底9上依次外延生長(zhǎng)緩沖層8，下分布布拉格反射鏡7，n型限制層13，增益區(qū)12，p型限制層11，相位補(bǔ)償層5，AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4，腐蝕停層3，上分布布拉格反射鏡2；(2)采用現(xiàn)有技術(shù)光刻、腐蝕出上分布布拉格反射鏡2的形狀和尺寸，采用具有選擇性腐蝕的腐蝕液，腐蝕上分布布拉格反射鏡2到腐蝕停層3；(3)換用僅腐蝕腐蝕停層3材料的腐蝕液腐蝕腐蝕停層3至AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4；(4)換用對(duì)AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4和相位補(bǔ)償層5具有選擇性腐蝕的常規(guī)腐蝕液腐蝕AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4并暴露出側(cè)壁，用于氧化以形成氧化孔徑；(5)進(jìn)行常規(guī)的濕氮氧化工藝步驟，形成2～50μm尺寸的氧化孔徑；(6)通過(guò)蒸發(fā)或?yàn)R射的方法制備出p型歐姆接觸電極1，再通過(guò)機(jī)械化學(xué)腐蝕的方法減薄，再在襯底9上蒸發(fā)或?yàn)R射上n型歐姆接觸電極10；(7)進(jìn)行常規(guī)p型歐姆接觸電極1和n型歐姆接觸電極10合金；(8)進(jìn)行常規(guī)解理工藝，得到本發(fā)明的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器。
本發(fā)明在空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器件外延材料中引入上分布布拉格反射鏡2、腐蝕停層3、AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4和相位補(bǔ)償層5的順序生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，由于各層之間存在選擇性腐蝕，使得在空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器件制備過(guò)程中，能夠分別的將上分布布拉格反射鏡2、腐蝕停層3、和AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4逐層腐蝕至所需要的界面，不僅獲得原子量級(jí)平整度的腐蝕表面，而且能夠精確的控制腐蝕深度，對(duì)有源器件的損耗小。如圖5所示，并與圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)比，本發(fā)明提出的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法不同于現(xiàn)有器件制備技術(shù)，可完全采用濕法腐蝕，而且能夠精確的控制腐蝕深度。
本發(fā)明具有的效果是可完全采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體化學(xué)濕法腐蝕工藝制備空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器，重復(fù)性的獲得精確的腐蝕深度，充分的將AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4側(cè)壁暴露，從而保證了濕氮氧化工藝的重復(fù)性；同時(shí)大大降低生產(chǎn)成本，同時(shí)提高器件的性能和可靠性，提高生產(chǎn)效率。


圖1現(xiàn)有技術(shù)中空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器器件制備層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、p型歐姆接觸電極，2、上分布布拉格反射鏡，4、AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層，6、有源區(qū)單元，7、下分布布拉格反射鏡，8、緩沖層，9、襯底，10、n型歐姆接觸電極，11、p型限制層，12、單量子阱、多量子阱或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的增益區(qū)，13、n型限制層。
圖2現(xiàn)有技術(shù)中空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的常規(guī)制備方法。
圖3放大倍數(shù)為4萬(wàn)倍的感應(yīng)耦合等離子體(ICP)干法刻蝕機(jī)刻蝕界面的掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試結(jié)果。
圖4本發(fā)明中設(shè)計(jì)的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器器件制備層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、p型歐姆接觸電極，2、上分布布拉格反射鏡，3、腐蝕停層，4、AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層，5、相位補(bǔ)償層，6、有源區(qū)單元，7、下分布布拉格反射鏡，8、緩沖層，9、襯底，10、n型歐姆接觸電極，11、p型限制層，12、單量子阱、多量子阱或量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的增益區(qū)，13、n型限制層。
圖5本發(fā)明提出的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，DBR表示分布布拉格反射鏡。
圖6本發(fā)明實(shí)施方式的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器結(jié)構(gòu)層示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖6所示，采用精確控制深度腐蝕法空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器器件實(shí)現(xiàn)方法如下1.采用普通金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法在n+-GaAs襯底9上依次外延生長(zhǎng)GaAs緩沖層8，28對(duì)GaAs/AlAs下分布布拉格反射鏡7，AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制層13，GaAs/InGaAs多量子阱結(jié)構(gòu)增益區(qū)12，AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制層11，AlxGa1-xAs(x＜0.3)相位補(bǔ)償層5，Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層4，GaInP腐蝕停層3，20對(duì)GaAs/AlAs上分布布拉格反射鏡2。
2.采用卡爾休斯(Karl Suss)光刻機(jī)，光刻出掩膜圖形并定義GaAs歐姆接觸層的形狀和尺寸。采用H2SO4、H2O2、H2O或者H3PO4、H2O2、CH3OH腐蝕液，腐蝕上分布布拉格反射鏡2到腐蝕停層3。由于腐蝕過(guò)程中分布布拉格反射鏡1厚度的變化反應(yīng)為顏色的變化，通過(guò)觀察顏色變化直到腐蝕界面的顏色不再發(fā)生變化說(shuō)明上分布布拉格反射鏡2腐蝕完成，腐蝕界面到腐蝕停層3。上述腐蝕液對(duì)分布布拉格反射鏡1材料的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)GaInP材料的腐蝕速率，具有很高的腐蝕選擇比，因此能夠精確控制腐蝕深度。
3.用HCl腐蝕液腐蝕GaInP腐蝕停層3至Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層4界面。HCl腐蝕液對(duì)腐蝕停層3 GaInP材料的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層4材料的腐蝕速率。
4.換用NHF、HF、H2O的腐蝕液腐蝕Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層4并暴露出側(cè)壁，用于氧化以形成氧化孔徑。NHF、HF、H2O的腐蝕液對(duì)Al0.98Ga0.02As材料的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)材料AlxGa1-xAs(x＜0.3)相位補(bǔ)償層5的腐蝕速率，保證了Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層4側(cè)壁能夠重復(fù)的并充分的暴露。為得到良好的器件性能，濕氮氧化限制垂直腔面發(fā)射激光器的氧化孔徑的尺寸，本領(lǐng)域一般采用2～50μm。
5.進(jìn)行常規(guī)的濕氮氧化工藝步驟，形成10μm的氧化孔徑。
6.然后通過(guò)蒸發(fā)或?yàn)R射的方法制備出p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au 2，再通過(guò)機(jī)械化學(xué)腐蝕的方法減薄至100μm，再在襯底9上蒸發(fā)或?yàn)R射上Au/Ge/Ni/Au n型歐姆接觸電極10。
7.將上述樣品放入500℃的高溫爐中，通入N2，5分鐘，將淀積的p型和n型歐姆接觸電極合金。
8.解理，得到分離的本發(fā)明的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器。
權(quán)利要求
1.一種空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)，如圖4所示，包括有依次縱向?qū)盈B從上往下排列的p型歐姆接觸層(1)，上分布布拉格反射鏡(2)，AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層(4)，有源區(qū)單元(6)，下分布布拉格反射鏡(7)，緩沖層(8)，襯底(9)和n型電極(10)，其中有源區(qū)單元(6)由自上而下依次排列的p型限制層(11)、增益區(qū)(12)、n型限制層(13)所構(gòu)成，其特征在于，在上分布布拉格反射鏡(2)和AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層(4)之間設(shè)置有腐蝕停層(3)，以及AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層(4)和有源區(qū)單元(6)中的p型限制層(11)之間設(shè)置有相位補(bǔ)償層(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)，其中腐蝕停層(3)、濕氮氧化層(4)和相位補(bǔ)償層(5)總光學(xué)厚度滿足 的整數(shù)倍，λ為垂直腔面發(fā)射激光器激射波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)，其中腐蝕停層(3)的材料要求分別與其上下相鄰的上分布布拉格反射鏡(2)和AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層(4)的材料具有選擇性腐蝕，相位補(bǔ)償層(5)的材料要求與其上相鄰的AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層(4)的材料具有選擇性腐蝕。
4.一種空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的制備方法，其特征在于，它包括以下步驟(1)、采用現(xiàn)有技術(shù)中的金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法或者分子束外延(MBE)方法在襯底(9)上依次外延生長(zhǎng)緩沖層(8)，下分布布拉格反射鏡(7)，n型限制層(13)，增益區(qū)(12)，p型限制層(11)，相位補(bǔ)償層(5)，AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層(4)，腐蝕停層(3)，上分布布拉格反射鏡(2)；(2)、采用現(xiàn)有技術(shù)光刻、腐蝕出上分布布拉格反射鏡(2)的形狀和尺寸，采用具有選擇性腐蝕的腐蝕液，腐蝕上分布布拉格反射鏡(2)到腐蝕停層(3)；(3)、換用僅腐蝕腐蝕停層(3)材料的腐蝕液腐蝕腐蝕停層(3)至AlxGa1-xAs(x≥O.9)濕氮氧化層(4)；(4)、換用對(duì)AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層(4)和相位補(bǔ)償層(5)具有選擇性腐蝕的常規(guī)腐蝕液腐蝕AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層(4)并暴露出側(cè)壁，用于氧化以形成氧化孔徑；(5)、進(jìn)行常規(guī)的濕氮氧化工藝步驟，形成2～50μm尺寸的氧化孔徑；(6)、通過(guò)蒸發(fā)或?yàn)R射的方法制備出p型歐姆接觸電極(1)，再通過(guò)機(jī)械化學(xué)腐蝕的方法減薄，再在襯底(9)上蒸發(fā)或?yàn)R射上n型歐姆接觸電極(10)；(7)、進(jìn)行常規(guī)p型歐姆接觸電極(1)和n型歐姆接觸電極(10)合金；(8)、進(jìn)行常規(guī)解理工藝，得到本發(fā)明的空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器。
全文摘要
一種空氣柱型垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)包括從上往下排列的p型歐姆接觸層1，上分布布拉格反射鏡2，Al
文檔編號(hào)H01S5/183GK1556563SQ20031011035
公開(kāi)日2004年12月22日 申請(qǐng)日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者郭霞, 沈光地, 杜金玉, 鄧軍, 郭 霞 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)