一种低电容的垂直腔面发射激光器及其制备方法与流程

本技术涉及激光器的，尤其是涉及一种低电容的垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术：

1、垂直腔面发射激光器因其低阈值电流、圆形光斑输出、易于二维阵列集成和低成本等优势，已成为短距离光纤数据通信系统的核心光源。特别是在850nm波段，vcsel广泛应用于数据中心内部互联、高速以太网（10gbe至400gbe）以及光纤通道等领域。

2、传统的vcsel器件中，键合焊盘（bondpad）与半导体衬底之间形成的寄生电容通常在80-150ff量级，这一较大的寄生电容与器件串联电阻共同构成低通rc网络，其截止频率仅为2-5ghz，严重限制了vcsel的高速调制性能。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本技术提供一种低电容的垂直腔面发射激光器及其制备方法。

2、本技术的其一目的是提供一种低电容的垂直腔面发射激光器，采用如下的技术方案：

3、一种低电容的垂直腔面发射激光器，包括外延层，所述外延层包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层、n型dbr、n型限制层、有源区、p型限制层、氧化层、p型dbr、p型接触层，所述氧化层中心开设有氧化孔，所述外延层上表面开设有两个连接孔，分别为n极连接孔和p极连接孔，n极连接孔底部位于n型dbr上，所述n型dbr与n极连接孔正对区域设有n型接触层，所述p极连接孔底部位于p型接触层，所述连接孔内设有介质层，所述介质层内开设有贯穿介质层的接触孔，接触孔分为与n型接触层正对n极接触孔和与p型接触层正对的p极接触孔，所述n极接触孔上方连有n极焊盘，p极接触孔上方连有p极焊盘，所述介质层的材料为多孔sicoh。

4、通过采用上述技术方案，sicoh（organosilicate glass，有机硅酸盐玻璃）的分子结构以si-o-si为骨架网络，同时引入si-ch3终端基团和纳米级可控孔隙。ch3基团的极化率（2.6å3）远低于si-o键（5.2å3），其引入打断了连续的si-o网络，降低了材料的整体极化响应。纳米级孔隙中填充空气（k=1.0），进一步降低了有效介电常数。

5、根据clausius-mossotti关系式：

6、(εr-1)/(εr+2) = (n/3ε0)×(αsi-o+αc-h+fvoid×0)

7、其中n为分子数密度，fvoid为孔隙率。当孔隙率从0%增加到35%时，k值从约2.7（致密sicoh）降至约2.0（多孔sicoh），最低可达1.8。相比bcb的k值2.4，多孔sicoh可将pad电容进一步降低约40-50%。

8、（2）pad电容降低的物理机理：

9、 vcsel pad电容由平行板电容公式决定：cpad=epsilon0*epsilon_r*a/d，其中epsilon0为真空介电常数（8.85×10^-14f/cm），epsilon_r为介质相对介电常数，a为pad面积，d为介质厚度。当采用80×80平方微米的pad尺寸、4微米厚的sicoh气隙层（epsilon_r=1.6）时，cpad=8.85×10^-14×1.6×6400×10^-8/(4×10^-4)=2.27×10^-14f=22.7ff。若进一步结合选择性刻蚀去除pad下方的n-gaas半导体材料形成更大的空气腔，有效介质厚度增加，pad电容可进一步降至<5ff。

10、sicoh气隙的降电容机理基于其纳米级多孔结构。气孔中的空气（k=1.0）与sicoh基体（k=3-4）形成复合材料，有效介电常数可由lichtenecker混合公式估算：log(k_eff)=v1*log(k1)+v2*log(k2)，其中v为体积分数。当气孔率约为40%时，k_eff约为2.0；通过特殊的pinch-off沉积工艺形成更大尺寸的气隙空腔，k_eff可进一步接近1.0。

11、（3）rc延迟与调制带宽的关系：

12、vcsel的调制带宽f_3db受限于寄生rc截止频率f_rc =1/(2*pi*r*c)和本征弛豫振荡频率f_r。其中r为等效串联电阻（包括dbr镜面电阻、接触电阻和扩展电阻），c为总寄生电容（cpad+cmesa+cj）。在传统vcsel中，f_rc约为15ghz，是限制调制带宽的主要因素。本技术通过将cpad降至<5ff、r降至<120欧姆，使f_rc提升至>100ghz，远高于本征f_r（约25-30ghz），从而使调制带宽不再受限于寄生效应。

13、作为优选，所述p型接触层呈环形设置，所述p型接触层中心与氧化孔正对，所述p型接触层内径不小于氧化孔孔径。

14、通过采用上述技术方案，环形p型接触层采用薄环状电极紧接台面外周边缘，电流直接向下流入p型dbr，路径长度缩短约50%，扩展电阻降低30-50%。同时，环形对称结构天然实现径向均匀注入，避免中心电流聚集导致的过热问题。。

15、作为优选，所述p型接触层的环形宽度为5-8μm，内径等于氧化孔径加2-4μm。

16、本技术的另一目的是提供一种低电容的垂直腔面发射激光器的制备方法，采用如下的技术方案：

17、一种低电容的垂直腔面发射激光器的制备方法，用于制备上述的一种低电容的垂直腔面发射激光器，包括以下步骤，

18、s1、外延生长，在衬底上依次生长出缓冲层、n型dbr、n型限制层、有源区、p型限制层、氧化层和p型dbr；

19、s2、在p型dbr上沉积生成p型接触层；

20、s3、顶部台面刻蚀，生成顶部台面图案；

21、s4、选择性湿法氧化，在氧化层中形成氧化孔；

22、s5、在n型dbr上沉积生成n型接触层；

23、s6、底部台面刻蚀，生成底部台面图案；

24、s7、介质层沉积，采用pecvd设备，使用二乙氧基甲基硅烷作为骨架前驱体，a-松油烯作为成孔剂，o2作为氧化剂，he作为载气，在外延层表面沉积生成介质层；

25、s8、平整化处理，对介质层表面进行研磨；

26、s9、接触孔刻蚀，通过光刻定义接触孔图案，p极接触孔位于p型接触层上方，n极接触孔位于n型接触层上方，刻蚀去除p极接触孔和n极接触孔内的介质层材料；

27、s10、电极金属沉积，通过磁控溅射或电子束蒸镀沉积金属层，采用光刻+lift-off或rie刻蚀工艺形成共面波导gsg电极图案。

28、作为优选，步骤s7中，沉积温度250°c，腔室压力5torr，rf功率200w，沉积速率200nm/min，总沉积时间为17-20分钟，沉积厚度为3-5μm。

29、作为优选，步骤s7中，沉积完成后，温度380°c条件下，365nm紫外光照射30-60分钟，进行uv固化。

30、通过采用上述技术方案，沉积后进行uv固化，使成孔剂分解挥发形成纳米级孔隙。固化后薄膜厚度收缩约15%（从3.5μm降至约3.0μm），介电常数从2.7降至<2.0。

31、作为优选，步骤s2和s3中，p型接触层的环形外径与顶部台面图案的直径相同为25-35μm，p型接触层环宽5-8μm。

32、作为优选，步骤s6中，底部台面图案直径40-60μm。

33、通过采用上述技术方案，形成双台面（dual-mesa）结构。该步骤实现器件间的完全电学隔离，同时底部台面图案为n型接触提供充足的面积。

34、作为优选，步骤s10中，gsg电极图案：信号线宽s=20μm，信号-地间隙w=10μm，地线宽30μm，gsg总宽度70μm。

35、通过采用上述技术方案，gsg电极的信号极通过bcb开孔连接至环形p型接触，两个地极连接至n型金属接触，信号-地间距设计为30微米，信号线宽20微米，实现约50欧姆的特征阻抗匹配。

36、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

37、1、焊盘电容极致降低：从传统方案的80-150ff降至<5ff，降幅超过95%。

38、2、调制带宽显著提升：3db带宽从传统方案的10-25ghz提升至35-50ghz，支持56-112gb/s单通道数据速率。

39、3、成本增加极小：单颗芯片成本仅增加约2%，但带宽提升40%+，具有极高的性价比优势。

40、4、阻抗精确匹配：cpw gsg电极可实现50±5ω的特征阻抗，与标准射频测试系统和封装基板完美匹配。

41、5、电流分布均匀：环形p型接触消除了电流拥挤效应，降低局部热斑风险，提升器件可靠性。