一种表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器的制作方法

1.本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器。


背景技术：

2.自垂直腔面发射激光器概念被提出以后，该项技术一直缓慢成熟，并逐渐推向光通信、光互连、光存储、激光显示和照明等技术领域。随着科学技术的发展，垂直腔面发射激光器已经成为当今使用的最重要的半导体激光器之一。垂直腔面发射激光器出光方向垂直于衬底，可阵列集成制备大功率激光器，有源区体积小，阈值电流低，其谐振腔短，具有单纵模特性，另外垂直腔面发射激光器可以通过改变激光器的结构设计，实现高功率、单模、单偏振、窄线宽、高速调制等。
3.但是，由于垂直腔面发射激光器固有结构的特点，在氧化限制孔径较大时，器件通常为多模激射。垂直腔面发射激光器在多模工作状态时，多个模式混合震荡会导致谐振谱线变宽，而且多个模式竞争会导致输出光谱和光功率不稳定。垂直腔面发射激光器作为光通信、芯片级原子钟的理想光源，稳定单模输出至关重要。
4.目前，若想获得单模激光器，通常采用缩小氧化孔径的方法，由于氧化限制结构在氧化前和氧化后的折射率变化比较大，这引起激光腔与其周围区域的明显折射率差，这种强折射率导引机制使得激光器很难工作在稳定的单模状态。而且氧化孔径越小激光器的阈值电流变大，电阻变大，输出功率变小，影响激光器的整体性能，对于实际应用很不利。另外，小氧化孔径的垂直腔面发射激光器对精度的要求极高，难于制作。因此，如何控制垂直腔面发射激光器的模式输出，充分发挥垂直腔面发射激光器的应用价值，对各个应用领域都至关重要。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供一种表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器，能够控制垂直腔面发射激光器的单模式输出，充分发挥垂直腔面发射激光器的应用价值。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器，包括由下至上依次设置的gaas基衬底、下层dbr、有源区、氧化限制层、上层dbr和p型金属欧姆接触层；所述有源区、氧化限制层、上层dbr和p型金欧姆接触层共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器谐振腔；
7.所述垂直腔面发射激光器的顶部镀有圆环形p型金属电极，垂直腔面发射激光器谐振腔的gaas基衬底下面镀有n型金属电极；
8.所述垂直腔面发射激光器的谐振腔由二氧化硅绝缘层包覆，二氧化硅绝缘层通过光刻、湿法腐蚀开电极窗口，二氧化硅绝缘层通过磁控溅射生长p型金属pad电极。
9.作为表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述垂直腔面发射激光器表面浅刻蚀结构位于垂直腔面发射激光器的谐振腔顶部，浅刻蚀图形为圆形围成的类圆环
结构。
10.作为表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述氧化限制层具有氧化限制孔；所述类圆环结构内径不小于所述氧化限制孔的孔径。
11.作为表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述p型金属电极的外环半径小于等于谐振腔半径，p型金属电极内环半径大于氧化限制孔径。
12.作为表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述垂直腔面发射激光器的谐振腔采用干法刻蚀制备，干法刻蚀制备过程，先将清洗干净的激光器外延片烘干，涂光刻胶，利用光刻机制备图案，再利用icp干法刻蚀将掩膜图形转移到外延片上。
13.作为表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述氧化限制层经过湿法氧化形成所述氧化限制孔，通过调整氧化的温度、湿度、时间参数制备出预设尺寸的氧化限制孔。
14.作为表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述二氧化硅绝缘层作为绝缘介质沉积在芯片表面，通过光刻、湿法腐蚀将谐振腔台面上的二氧化硅去掉，暴露出p型金属电极和出光孔。
15.作为表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述n型金属电极沉积在gaas基衬底背面，在沉积金属之前先对gaas基衬底减薄抛光。
16.作为表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器的优选方案，所述gaas基衬底减薄厚度控制在80～100微米之间，减薄抛光后再沉积n型金属电极，然后退火。
17.本发明具有如下优点：包括由下至上依次设置的gaas基衬底、下层dbr、有源区、氧化限制层、上层dbr和p型金属欧姆接触层；有源区、氧化限制层、上层dbr和p型金欧姆接触层共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器谐振腔；垂直腔面发射激光器的顶部镀有圆环形p型金属电极，垂直腔面发射激光器谐振腔的gaas基衬底下面镀有n型金属电极；垂直腔面发射激光器的谐振腔由二氧化硅绝缘层包覆，二氧化硅绝缘层通过光刻、湿法腐蚀开电极窗口，二氧化硅绝缘层通过磁控溅射生长p型金属pad电极。本发明利用表面浅刻蚀结构，在垂直腔面发射激光器高阶模出射位置增加高阶模的损耗，提高高阶模的阈值增益，从而实现单模输出，采用二氧化硅做绝缘层，工艺成熟，操作简单。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
19.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
20.图1为本发明实施例中提供的表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器剖视结构示意图；
21.图2为本发明实施例中提供的表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器俯视示意图；
22.图3为本发明实施例中提供的表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器立体示意图。
23.图中，1、gaas基衬底；2、下层dbr；3、有源区；4、氧化限制层；5、上层dbr；6、p型金属欧姆接触层；7、p型金属电极；8、n型金属电极；9、谐振腔；10、氧化限制孔；11、二氧化硅绝缘层；12、类圆环结构。
具体实施方式
24.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.参见图1、图2和图3，本发明实施例提供一种表面浅刻蚀结构垂直腔面发射激光器，包括由下至上依次设置的gaas基衬底1、下层dbr2、有源区3、氧化限制层4、上层dbr5和p型金属欧姆接触层6；所述有源区3、氧化限制层4、上层dbr5和p型金欧姆接触层共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器谐振腔9；
26.所述垂直腔面发射激光器的顶部镀有圆环形p型金属电极7，垂直腔面发射激光器谐振腔9的gaas基衬底1下面镀有n型金属电极8；
27.所述垂直腔面发射激光器的谐振腔9由二氧化硅绝缘层11包覆，二氧化硅绝缘层11通过光刻、湿法腐蚀开电极窗口，二氧化硅绝缘层11通过磁控溅射生长p型金属pad电极。
28.本实施例中，所述垂直腔面发射激光器表面浅刻蚀结构位于垂直腔面发射激光器的谐振腔9顶部，浅刻蚀图形为圆形围成的类圆环结构12。所述氧化限制层4具有氧化限制孔10；所述类圆环结构12内径不小于所述氧化限制孔10的孔径。所述p型金属电极7的外环半径小于等于谐振腔9半径，p型金属电极7内环半径大于氧化限制孔10径。
29.具体的，垂直腔面发射激光器表面浅刻蚀结构位于垂直腔面发射激光器谐振腔9的顶部，浅刻蚀图形为圆形，且围成一个类似圆环的结构，这个类圆环结构12的内径为与氧化限制孔10的孔径大小有关，一般类圆环结构12的内径等于或略大于氧化限制孔10的尺寸，外圆尺寸可通过理论计算得出，刻蚀掉的部分对应的是激光器高阶模出射的位置。
30.具体的，磁控电极溅射是物理气相沉积的一种，具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。
31.本实施例中，所述垂直腔面发射激光器的谐振腔9采用干法刻蚀制备，干法刻蚀制备过程，先将清洗干净的激光器外延片烘干，涂光刻胶，利用光刻机制备图案，再利用icp干法刻蚀将掩膜图形转移到外延片上。
32.具体的，干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀，当气体以等离子体形式存在时，等离子体中的气体化学活性比常态下时要强，根据被刻蚀材料的不同，选择合适的气体，就可以更快地与材料进行反应，实现刻蚀去除的目的。另外，还可以利用电场对等离子体进行引导和加速，使等离子体具备一定能量，当其轰击被刻蚀物的表面时，会将被刻蚀物材料的原子击出，从而达到利用物理上的能量转移来实现刻蚀的目的，干法刻蚀可以获得精确的特征图形。
33.具体的，干法刻蚀工艺是利用气体中阴阳粒子解离后的等离子体来进行刻蚀，宇
宙中99％的物质，均处于等子状态。其中包含了中性的粒子、离子和电子，它们混合在一起，表现为电中性。在干法刻蚀中，气体中的分子和原子，通过外部能量的激发，形成震荡，使质量较轻的电子脱离原子的轨道与相邻的分子或原子碰撞，释放出其他电子，在这样的反复过程中，最终形成气体离子与自由活性激团。而干法刻蚀，则利用了气体等离子体中的自由活性激团与离子，与被刻蚀表面进行反应，以此形成最终的特征图形。
34.本实施例中，氧化限制层4经过湿法氧化形成所述氧化限制孔10，通过调整氧化的温度、湿度、时间参数制备出预设尺寸的氧化限制孔10。
35.具体的，氧化限制层4可以起到光电限制的作用，氧化限制层4需要经过湿法氧化形成氧化限制孔10，以实现对光和电的限制，通过反复试验，有限次的操作可以确定优化氧化的温度、湿度、时间等参数，制备出合适尺寸的氧化孔径，通过氧化限制孔10使vcsel器件实现低阈值的单模激光输出。
36.具体的，砷化镓铝层通过高温及湿氧氧化而形成的氧化限制孔10的孔径，可有效降低vcsel的光损耗，并提高转换效率，工艺过程是先通过光刻与刻蚀技术将需要氧化的高al层暴露出，然后在湿氧环境中使铝氧化形成氧化铝层，通过控制氧化时间，使台面中间部分不被氧化，利于电流导通和出光。
37.本实施例中，所述二氧化硅绝缘层11作为绝缘介质沉积在芯片表面，通过光刻、湿法腐蚀将谐振腔9台面上的二氧化硅去掉，暴露出p型金属电极7和出光孔，以便后期沉积pad电极。
38.具体的，二氧化硅中含有的金属杂质总量小于十万分之一，单个非金属杂质含量小于十万分之一，二氧化硅的电绝缘性能极佳。
39.本实施例中，所述n型金属电极8沉积在gaas基衬底1背面，在沉积金属之前先对gaas基衬底1减薄抛光，一方面方便后期解理，一方面降低器件电阻。所述gaas基衬底1减薄厚度控制在80～100微米之间，减薄抛光后再沉积n型金属电极8，然后退火。p型金属电极7组分为ti/pt/au，n型金属电极8组分为augeni/au,退火温度为420℃，退火时间为35s。
40.本发明包括由下至上依次设置的gaas基衬底1、下层dbr2、有源区3、氧化限制层4、上层dbr5和p型金属欧姆接触层6；有源区3、氧化限制层4、上层dbr5和p型金欧姆接触层共刻出圆柱形垂直腔面发射激光器谐振腔9；垂直腔面发射激光器的顶部镀有圆环形p型金属电极7，垂直腔面发射激光器谐振腔9的gaas基衬底1下面镀有n型金属电极8；垂直腔面发射激光器的谐振腔9由二氧化硅绝缘层11包覆，二氧化硅绝缘层11通过光刻、湿法腐蚀开电极窗口，二氧化硅绝缘层11通过磁控溅射生长p型金属pad电极。垂直腔面发射激光器受氧化限制孔10的孔径和注入电流的影响，往往会导致多模激射，本发明中的激光器结构从激光器台面结构方面改善激光器的输出模式特性。通过控制刻蚀高阶模式区域的盖层和dbr，来增加高阶模式的损耗，提高高阶模式的阈值增益，保留基模区域不变，从而实现单模输出，采用二氧化硅做绝缘层，工艺成熟，操作简单。
41.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。