專利名稱：長波長垂直腔面發(fā)射激光器的結構和制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種長波長垂直腔面發(fā)射激光器的結構
和制作方法，采用了 GaAs/AlGaAs材料系組合作為下
布拉格反射鏡，并通過鍵合方式將下布拉格反射鏡與
有源區(qū)粘連。本發(fā)明還涉及制造該結構的工藝和方法。
背景技術：
垂直腔面發(fā)射激光器因其本身低閾值、圓形光束、
易耦合和易二維集成等優(yōu)點，成為光電子領域研究的
熱點在光纖通訊系統(tǒng)中，動態(tài)單模工作的長波長垂
直腔面發(fā)射激光光源是不可缺少的關鍵性元件。主要
用于中距離和長距離高速數據通訊和光互連、光并行
處理、光識別系統(tǒng)，在城域網和廣域網中都有著重要
的應用o
1.3 y m和1 . 5 5 y m波長處于光纖的低色散和
低衰減窗口，使得1.3um禾口1.55iim VCSEL在中 長距離超高并行度光纖通信方面具有短波長VCSEL無 法比擬的優(yōu)點，加上這兩個波段已有的通信標準和成 熟技術，使長波長VCSEL在并行光傳輸、光通信和波 分復用(WDM )系統(tǒng)中應用前景十分廣闊，極具市場前 潛力。在1.3 um與1.5 5 Pm波長附近區(qū)域，能夠 提供高增益的材料主要是基于InP襯底的材料，InP基 的InGaAsP QW禾口 AlGalnAs QW系VCSEL的 一 大難點就
是與有源層材料晶格匹配的布拉格反射鏡材料， InGaAsP/InP、 A1 G a I n A s / I n P 、 I n A1 G aA s / I n A 1 A s等材 料的折射率差比較小，因此，要使DBR達到9 9 %以 上的反射率，就需要較多的周期數，從而增加了外延 生長的困難。而且，較厚的DBR也會帶來更大的串聯 電阻、更嚴重的熱效應和更大的光損耗。另 一 方面， 四元合金材料的熱導率低，使器件的熱阻難以降低， 這些因素使InP基長波長VCSEL的研究進展與短波長 VCSEL相比顯著緩慢。而GaAs/AlGaAs材料系組成的布 拉格反射鏡因其折射率差較大，所以可以通過相對較 少的周期就可以達到非常高的反射率，改進了傳統(tǒng)長 波長垂直腔面發(fā)射激光器分布布拉格反射鏡層數多， 熱阻大，難以達到高反射率，外延生長困難的缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種長波長垂直腔面發(fā)射
激光器的結構和制作方法，改進了傳統(tǒng)長波長垂直腔
面發(fā)射激光器分布布拉格反射鏡層數多，熱阻大，難
以達到高反射率，外延生長困難的缺點。
本發(fā)明一種長波長垂直腔面發(fā)射激光器的結構，
其特征在于，該結構包括
襯底，該襯底為N型GaAs襯底；
多個周期的下布拉格反射鏡，該多個周期的下布
拉格反射鏡制作在襯底上，該多個周期的下布拉格反
射鏡用于反射激光腔內的光來形成激光振蕩 ，
有源區(qū)，該有源區(qū)通過鍵合方式與多個周期的
下布拉格反射鏡聯結，用來形成光增益；
多個周期的上布拉格反射鏡，該多個周期的上布
拉格反射鏡制作在有源區(qū)上的中間位置，同時形成出
光窗□，并用于反射激光腔內的光來形成激光振蕩 ，
si02掩膜，沉積在多個周期的下布拉格反射鏡的上面、有源區(qū)的部分上部和側壁以及上布拉格反射
鏡的部分上部和側壁，起到形成出光窗口和防止短路
的作用
p電極，該P電極制作在有源區(qū)的S i 02掩膜上
和暴露的有源區(qū)表面，形成內腔接觸，用于電流注入；- N電極，該N電極制作在襯底的下面。
中多個周期的下布拉格反射鏡包括3 2個周期
的Alo.9Ga0jAs 層禾卩 GaAs層及 一 個周期的AlQ.9Ga。.，A s
層、Al0 . 98 G a o. 0 2 A s層禾卩 G aAs層；其中 Al.0.98Ga0 0 2As層
用于氧化，形成氧化孔，以形成絕緣區(qū)域以起電流限
制作用
中氧化孔的孔徑約在1 0 2 0微米。
中上布拉格反射鏡包括3 . 5個周期的Si介質
膜和Si 0::介質膜。
本發(fā)明 一 種長波長垂直腔面發(fā)射激光器結構的制
作方法，其特征在于，該方法包括如下步驟
丄)采用外延工藝金屬有機化學氣相沉積方法
在襯底生長多個周期的下布拉格反射鏡；
2)采用分子束外延生長方法在 InP襯底生長
有源區(qū);
c3)將有源區(qū)與布拉格反射鏡采用鍵合技術粘
連，鍵口界面是 InP/GaAS j然后采用化學腐蝕的方法
去除InP襯底；
4)通過標準光刻工藝形成掩膜，帶光刻膠電
子束回旋共振淀積或者電子束蒸發(fā)上布拉格反射鏡；
5)通過標準光刻工藝形成掩膜，通過化學腐
蝕有源區(qū)和下布拉格反射鏡形成臺面，露出下布拉格
反射鏡的Al。.98Ga。.。2As層禾B GaAs層；
(6 )通過氧化工藝使Al。.98GaQ.。2As層部分氧化， 形成氧化孔及絕緣區(qū)域以起到電流限制作用；
(7 )熱沉積S i 02掩膜，通過標準光刻、腐蝕， 露出出光窗口，同時在上布拉格反射鏡和有源區(qū)側壁 形成掩膜，以防止電流短路；
(8)蒸發(fā)P電極，再通過標準光刻工藝形成掩 膜，然后腐蝕形成P電極形狀，然后進行合金化處理；
(9 )減薄、拋光N型InP襯底，蒸發(fā)N電極， 然后進行合金化處理，完成器件的制作。
其中下布拉格反射鏡包括3 2個周期的 Al?！笹a?！笰s層和GaAs層及 一 個周期的A 1Q. 9Ga。. ， As層、 Al0.98Ga002As層禾口 GaAs層。
其中有源區(qū)的光學厚度為1.5A， A為激射波長。
其中上布拉格反射鏡是通過帶膠剝離工藝形成， 包括依次淀積或蒸發(fā)的3 . 5個周期的介質膜Si層和
Si02層。
其中該氧化孔的孔徑為1 0 2 0微米。


為進——^步說明本發(fā)明的內容及特點，以下結合實
例及附圖詳細說明如后，其中
圖1是本發(fā)明長波長面發(fā)射激光器的示意圖2是InP襯底腐蝕后的光學照片；
圖3是本發(fā)明下布拉格反射鏡3與有源區(qū)4鍵合
后，電子束蒸發(fā)上布拉格反射鏡5的掃描電子顯微鏡
圖
圖4是上布拉格反射鏡5帶膠剝離后的光學顯微
鏡圖5有源區(qū)4和下布拉格反射鏡3濕法腐蝕后
的光學昭 / 、 i人片;
圖6是Alo.9sGao. 02As層3 3部分氧化后的光學顯
微鏡圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是利用GaAs/AlGaAs材料系作為下布拉格 反射鏡4 ， 3 . 5個周期的Si層5 1禾Q Si02層5 2介 質膜作為上布拉格反射鏡5來實現長波長面發(fā)射激光 器的結構。圖1為本發(fā)明長波長面發(fā)射激光器示意圖。 包括N電極1 ， N型GaAs襯底2，下布拉格反射鏡3， 包括3 2個周期的Al。. y8Ga。. ，As層3 1禾Q GaAs層3 2 及一個周期的Al?！笹a。」As層3 1 、 A1Q. 98Ga。. 。2A s層3
3和GaAs層3 2，應變量子阱有源區(qū)4，上布拉格反 射鏡5 ，由3 . 5個周期Si/Si02多層介質膜5 1和5
2組成，同時也是出光窗口， Si02掩膜6， P電極7。
該結構的主要特征如下
1 .其中下布拉格反射鏡3包括3 2個周期的 Al。.9Ga?！笰s 層3 1和GaAs 層3 2及 一 個周期的 Al0.9Ga0.:As層 3 1 、 Al0.98Ga0.o2As層 3 3禾口 GaAs層 3 2 。其中Al。.98Ga。.。2As層3 3用于氧化以起電流限制 作用，氧化孔徑約在1 0 2 0微米左右。
2. 其中上布拉格反射鏡5包括3.5個周期 Si/Si02多層介質膜5 1和5 2 ;
3. 下布拉格反射鏡3和有源區(qū)4分別在不同的 襯底釆用不同的外延方式生長，然后通過鍵合方法粘 連在 一 起；
4. 有源區(qū)設計的光學厚度為1.5入，入為激射 波長；
5 .該結構的P電極7制作在有源區(qū)4上，N電極 1制作在襯底2上，是典型的內腔接觸式垂直腔面發(fā) 射激光器。
在外延生長時，采用兩種生長方式分別在兩種襯
底上進行下布拉格反射鏡3和有源區(qū)4的外延生長。
中采用分子束外延生長方法在GaAs襯底2上生長下
布拉格反射鏡3 ，外延工藝金屬有機化學氣相沉積方
法在InP襯底生長有源區(qū)4。 將有源區(qū)4與布拉格反射鏡3采用鍵合技術茅占
連，鍵合界面是InP/GaAs，然后采用化學腐蝕的方法
去除InP襯底及腐蝕停止層InGaAs，襯底去除的腐蝕
液采用3 HC1 : 1 H20，腐蝕停止層InGaAs的去除采用1
H3P04: 5 H 202: 5 H2 0腐蝕液。圖2是InP襯底及腐蝕停
止層InGaAs去除后的光學照片，由圖可見，腐蝕后的
表面十分平整光亮
通過標準光刻工藝形成掩膜，帶光刻膠電子束回
旋共振淀積或者電子束蒸發(fā)上布拉格反射鏡5'包括
依次淀積或蒸發(fā)的3.5個周期的介質膜Si層51和
S io2層52 ，圖3是電子束蒸發(fā)上布拉格反射鏡5后
的透射電子顯微鏡照片。然后進行帶膠剝離形成上布
拉格反射鏡5 ，帶膠剝離形成的圖案見圖4 ;
通過標準光刻工藝形成掩膜，通過化學腐蝕有源
區(qū)4和下布拉格反射鏡3形成臺面，露出下布拉格反
射鏡3的A 1 0 . 9 8 G3 0 .。2As層3 3禾卩GaAs層3 2有源區(qū)
4和下布拉格反射鏡3腐蝕的光學照片見圖
通過氧化工藝使AlQ.9Ga。.。2As層3 3部分氧化以起到電流限制作用，氧化孔徑35控制在10 20微
米左右；對于厚度為5 0 nm的AlQ.98Ga。.。2As層3 3 ， 在溫度為4 2 0 °C ， 水溫保持在8 8 °C ，氮氣流量1 L/min的條件下，氧化速率約為1微米/分鐘。圖6為
Al0 . 98 G 3 o .("As層3 3部分氧化后的光學顯微鏡圖像。
熱沉積S i 0 2掩膜6 ，通過標準光刻、腐蝕，露出出光窗□，同時在上布拉格反射鏡5和有源區(qū)4側壁
形成掩膜，以防止電流短路；
苤發(fā)P電極7 ，再通過標準光刻工藝形成掩膜，
然后腐蝕形成P電極7形狀，然后進行合金化處理；
上布拉格反射鏡5通過以下步驟制備，首先采用
標準光刻工藝形成掩膜，然后帶光刻膠低溫進行電子
束回旋共振淀積或者電子束蒸發(fā)上布拉格反射鏡5 ，
包括依次淀積或蒸發(fā)的3 . 5個周期的介質膜S i層5
1和Si 02層5 2 ，然后進行帶膠剝離形成上布拉格反
射鏡5圖3為整體結構的掃描電鏡圖像，圖4為帶
膠剝離后的上布拉格反射鏡5光學顯微鏡圖像。
減薄、拋光N型InP襯底2 ，然后蒸發(fā)N電極1 ，
最后進仃合金化處理。
權利要求
1.一種長波長垂直腔面發(fā)射激光器的結構，其特征在于，該結構包括一襯底，該襯底為N型GaAs襯底；多個周期的下布拉格反射鏡，該多個周期的下布拉格反射鏡制作在襯底上，該多個周期的下布拉格反射鏡用于反射激光腔內的光來形成激光振蕩；一有源區(qū)，該有源區(qū)通過鍵合方式與多個周期的下布拉格反射鏡聯結，用來形成光增益；多個周期的上布拉格反射鏡，該多個周期的上布拉格反射鏡制作在有源區(qū)上的中間位置，同時形成出光窗口，并用于反射激光腔內的光來形成激光振蕩；-SiO2掩膜，沉積在多個周期的下布拉格反射鏡的上面、有源區(qū)的部分上部和側壁以及上布拉格反射鏡的部分上部和側壁，起到形成出光窗口和防止短路的作用；一P電極，該P電極制作在有源區(qū)的SiO2掩膜上和暴露的有源區(qū)表面，形成內腔接觸，用于電流注入；一N電極，該N電極制作在襯底的下面。
2 .根據權利要求1所述的新型長波長垂直腔面 發(fā)射激光器的結構，其特征在于，其中多個周期的下布拉格反射鏡包括3 2個周期的AlQ.9Ga。. ，As層和GaAs 層及 一 個周期的Al。.9Ga。. ，As層、Al。.98Ga。.Q2As層和GaAs 層；其中Al。.98GaQ.。2As層用于氧化，形成氧化孔，以 形成絕緣區(qū)域以起電流限制作用。
3 .根據權利要求2所述的新型長波長垂直腔面 發(fā)射激光器的結構，其特征在于，其中氧化孔的孔徑 約在l 0 2 O微米。
4 .根據權利要求1所述的新型長波長垂直腔面 發(fā)射激光器的結構，其特征在于，其中上布拉格反射 鏡包括3 . 5個周期的Si介質膜和S i 02介質膜。
5 . —種長波長垂直腔面發(fā)射激光器結構的制作 方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1 )采用外延工藝金屬有機化學氣相沉積方法在襯底生長鄉(xiāng)+周期的下布拉格反射鏡；2采用分子束外延生長方法在InP襯底生長有源區(qū);3將有源區(qū)與布拉格反射鏡采用鍵合技術粘連，鍵合界面是InP/GaAs ，然后采用化學腐蝕的方法去除InP襯底；C4通過標準光刻工藝形成掩膜，帶光刻膠電 子束回旋共振淀積或者電子束蒸發(fā)上布拉格反射鏡；5)通過標準光刻工藝形成掩膜，通過化學腐蝕有源區(qū)和下布拉格反射鏡形成臺面，露出下布拉格反射鏡Al0.98Ga00.02As層禾口 GaAs層；6)通過氧化工藝使Al。.98GaQ.。2As層部分氧化，形成氧化孔及絕緣區(qū)域以起到電流限制作用；7)熱沉積S i 02掩膜，通過標準光刻、腐蝕，露出出光窗口 ，同時在上布拉格反射鏡和有源區(qū)側壁形成掩膜，以防止電流短路；8)蒸發(fā)P電極，再通過標準光刻工藝形成掩膜，然后腐蝕形成P電極形狀，然后進行合金化處理-,9)減薄、拋光N型InP襯底，蒸發(fā)N電極，然后進合金化處理，完成器件的制作。
6.根據權利要求5所述的新型長波長垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，其中下布拉格反射鏡包括3 2個周期的Al。.gGa。.，As層和GaAs層及一個周期的Alo. 9Ga0. !As層、Alo. 98Ga0.02As層禾卩GaAs層。
7 .根據權利要求5所述的新型長波長垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，其中有源區(qū)的光學厚度為1.5入，入為激射波長。
8.根據權利要求5所述的新型長波長垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，其中上布拉格反射鏡是通過帶膠剝離工藝形成，包括依次淀積或蒸發(fā)的3 . 5個周期的介質膜S i層和S i 02層。
9 .根據權利要求5所述的新型長波長垂直腔面 發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，其中該氧化孔 的孔徑為1 0 2 0微米。
全文摘要
一種長波長垂直腔面發(fā)射激光器的結構，包括一N型GaAs襯底；多個周期的下布拉格反射鏡，該多個周期的下布拉格反射鏡制作在襯底上；一有源區(qū)與多個周期的下布拉格反射鏡聯結；多個周期的上布拉格反射鏡制作在有源區(qū)上的中間位置；一SiO₂掩膜沉積在多個周期的下布拉格反射鏡的上面、有源區(qū)的部分上部和側壁以及上布拉格反射鏡的部分上部和側壁；一P電極制作在有源區(qū)的SiO₂掩膜上和暴露的有源區(qū)表面；一N電極，該N電極制作在襯底的下面。
文檔編號H01S5/183GK101179177SQ20061011440
公開日2008年5月14日 申請日期2006年11月9日 優(yōu)先權日2006年11月9日
發(fā)明者何國榮, 宋國鋒, 楊國華, 渠紅偉, 鄭婉華, 陳良惠 申請人:中國科學院半導體研究所