垂直腔面发射激光器制备方法及垂直腔面发射激光器技术

本发明专利技术公开了一种垂直腔面发射激光器制备方法，所述垂直腔面发射激光器以（100）晶面GaAs为衬底材料；该制备方法包括：湿法氧化步骤，用于将DBR中的一层或多层高铝层的外圈区域作为目标氧化区域，将其氧化为氧化铝，并在所述一层或多层高铝层的中间区域形成未被氧化的氧化孔；该制备方法还包括：在湿法氧化步骤前的离子注入步骤，用于通过离子注入的方式使得目标氧化区域中的部分区域形成具有离子注入损伤的缺陷区，并基于缺陷区与目标氧化区域中的其他区域之间的湿氧化速率差异，使得经湿法氧化步骤所生成的氧化孔为非圆形的氧化孔。本发明专利技术还公开了一种垂直腔面发射激光器。本发明专利技术在保证了VCSEL激光器性能的同时，可大幅降低生产成本和芯片切割难度。幅降低生产成本和芯片切割难度。幅降低生产成本和芯片切割难度。

【技术实现步骤摘要】
垂直腔面发射激光器制备方法及垂直腔面发射激光器


[0001]本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器制备方法。

技术介绍

[0002]功耗低、阈值电流小、调制速度快，光束质量高、芯片结构紧凑、制造成本低，使得垂直腔面发射激光器（VCSEL）成为短距离光通信理想光源。此外，VCSEL激光器还广泛应用于姿态感知、医疗技术、3D传感器、光存储等
VCSEL激光器有源区薄，腔长短，单层增益小，采用堆叠多层DBR结构可以极大地提高其有效光子寿命。为了提高注入至量子阱有源层电流的收拢性，现有VCSEL激光器多采用湿氧化工艺将其DBR中的一层或多层高铝含量的Al
x
Ga1‑
x
As（x≥0.95）层氧化成AlO
x
，位于有源层正上方的DBR高铝层未被氧化，形成氧化孔，从而得到环状圆形电流通道，该结构被称为氧化限制型DBR结构，这一收拢的电流通道可以有效地降低VCSEL激光器的阈值电流。同时，由于氧化孔处的DBR高铝层材料未被氧化，保持GaAs/Al
x
Ga1‑
x
As不变，折射率保持3~3.11，而氧化孔周围被氧化的DBR高铝层材质由Al
x
Ga1‑
x
As变成成为AlO
x
，折射率从3.11降低至1.6，由此产生的DBR材料的折射率差可以极大地将有源层发出的光限制在垂直方向，激光器的光子寿命得到提高，进一步降低VCSEL激光器的阈值电流。典型的氧化限制型VCSEL的基本结构如图1所示，自下而上依次为GaAs衬底1、缓冲层2、N型DBR3、量子阱4、氧化层5、P型DBR6、N 型电极7、P 型电极8，氧化层5的中间形成有圆形的氧化孔。
[0003]传统的环状圆形电流、光子通道虽然可以有效降低VCSEL激光器的阈值电流，但环状圆形结构的对称性决定了VCSEL激光器光束偏振态稳定性不足。数据传输过程中VCSEL激光器光束偏振态不稳定会增加数据传输的噪音，降低数据传输的带宽和质量。为了解决激光器光束偏振态不稳定问题，现有VCSEL激光器一般选用非（100）晶面GaAs衬底进行DBR材料以及量子阱材料生长，利用材料在（n11）晶面不同方向增益的各向异性，以及湿氧化速率在[
‑
110]和[110]两个晶向的差异性造成氧化孔为非圆形，VCSEL激光器光束偏振态稳定性得以提升。但材料在（n11）晶面不同方向生长的差异会造成材料生长面粗糙，造成不同量子阱材料在界面相互渗透，影响量子阱效率，降低激光器的性能；同时也会降低碳（C）在P
‑
DBR中的掺杂浓度，最终增加VCSEL激光器的阈值电流，降低激光器的可靠性。此外，非（100）晶面GaAs衬底片的价格相对较贵，芯片切割也相对更难。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种垂直腔面发射激光器制备方法，不需要使用非（100）晶面GaAs衬底材料即可根据需要实现任意形状的非圆形氧化孔，在保证了VCSEL激光器性能的同时，可大幅降低生产成本和芯片切割难度。
[0005]本专利技术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制备方法，所述垂直腔面发射激光器以（100）晶面GaAs为衬底材料；所述制备方法包括：湿法氧化步骤，用于将DBR中的一层或多层高铝层的外圈
区域作为目标氧化区域，将其氧化为氧化铝，并在所述一层或多层高铝层的中间区域形成未被氧化的氧化孔；所述制备方法还包括：在湿法氧化步骤前的离子注入步骤，用于通过离子注入的方式使得目标氧化区域中的部分区域形成具有离子注入损伤的缺陷区，并基于缺陷区与目标氧化区域中的其他区域之间的湿氧化速率差异，使得经湿法氧化步骤所生成的氧化孔为非圆形的氧化孔。
[0006]优选地，所述离子注入所使用的掩模材料为光刻胶。
[0007]优选地，所述离子注入所使用的掩模布设于圆形主动区平台表面，掩模上设置有至少两个相同形状的离子注入孔。
[0008]进一步优选地，所述离子注入孔为椭圆形，其短轴位于所述圆形主动区平台的径向上。
[0009]更进一步优选地，所述离子注入孔的短轴与长轴之比为0.2～0.9，离子注入孔的中心点至圆形主动区平台表面中心的距离与圆形主动区平台半径之比为0.6～0.9。
[0010]进一步优选地，所述离子注入孔在圆形主动区平台表面的周向上均匀分布。
[0011]进一步优选地，所述离子注入孔为圆角的矩形、菱形或三角形。
[0012]一种垂直腔面发射激光器，具有非圆形的氧化孔，使用如上任一技术方案所述制备方法制备得到。
[0013]相比现有技术，本专利技术技术方案具有以下有益效果：本专利技术采用半导体制造中所常用的离子注入技术，在湿法氧化步骤前先通过离子注入的方式使得目标氧化区域中的部分区域形成具有离子注入损伤的缺陷区，并基于缺陷区与目标氧化区域中的其他区域之间的湿氧化速率差异，使得经湿法氧化步骤所生成的氧化孔为非圆形的氧化孔，消除了现有技术生成非圆形氧化孔必须使用非（100）晶面GaAs衬底材料的限制，可使用价格较低的（100）晶面GaAs衬底材料，在保证了VCSEL激光器性能的同时，大幅降低了VCSEL激光器的生产成本和芯片切割难度。
附图说明
[0014]图1为一种典型氧化限制型VCSEL的纵截面结构示意图；图2为本专利技术所提供的一种VCSEL的纵截面结构示意图；图3a～图3l为图2所示VCSEL的制备过程示意图；图4为离子注入掩模图案示例；图5为图4所示离子注入掩模图案的详细结构示意图；图6为使用图4所示离子注入掩模图案所得到的氧化孔示意图。
[0015]图中包含以下附图标记：1、GaAs衬底，2、缓冲层， 3、N型DBR，4、量子阱，5、氧化层，6、P型DBR，7、N 型电极，8、P 型电极，9、N型过孔金属，10、P型过孔金属，11、水氧阻隔膜层，12、P型主动区平台，13、出光孔，14、离子注入区，15、主动区平台上的圆，16、离子注入孔。
具体实施方式
[0016]针对现有技术采用非（100）晶面GaAs衬底材料以实现非圆形氧化孔的不足，本专利技术的解决思路是在湿法氧化步骤前先通过离子注入的方式使得目标氧化区域中的部分区
域形成具有离子注入损伤的缺陷区，并基于缺陷区与目标氧化区域中的其他区域之间的湿氧化速率差异，使得经湿法氧化步骤所生成的氧化孔为非圆形的氧化孔，消除了现有技术生成非圆形氧化孔必须使用非（100）晶面GaAs衬底材料的限制，可使用价格较低的（100）晶面GaAs衬底材料，在保证了VCSEL激光器性能的同时，大幅降低了VCSEL激光器的生产成本和芯片切割难度。
[0017]专利技术人发现：用离子注入工艺处理高铝层，高铝层内会形成离子注入损伤，受损伤的高铝层区具有缺陷，缺陷会加速缺陷区的湿氧化速率，通常会比无缺陷高铝层区的湿氧化速率快20
‑
50%。正是基于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种垂直腔面发射激光器制备方法，所述垂直腔面发射激光器以（100）晶面GaAs为衬底材料；所述制备方法包括：湿法氧化步骤，用于将DBR中的一层或多层高铝层的外圈区域作为目标氧化区域，将其氧化为氧化铝，并在所述一层或多层高铝层的中间区域形成未被氧化的氧化孔；其特征在于，所述制备方法还包括：在湿法氧化步骤前的离子注入步骤，用于通过离子注入的方式使得目标氧化区域中的部分区域形成具有离子注入损伤的缺陷区，并基于缺陷区与目标氧化区域中的其他区域之间的湿氧化速率差异，使得经湿法氧化步骤所生成的氧化孔为非圆形的氧化孔。2.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器制备方法，其特征在于，所述离子注入所使用的掩模材料为光刻胶。3.如权利要求1所述垂直腔面发射激光器制备方法，其特征在于，所述离子注入所使用的掩模布设于圆形主动...

【专利技术属性】
技术研发人员：李加伟，严磊，
申请(专利权)人：苏州长瑞光电有限公司，
类型：发明
国别省市：