垂直腔面发射激光器制造方法及垂直腔面发射激光器与流程

1.本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser，简称vcsel）制造方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器在高密度集成及光纤耦合方面较边发射型激光器存在较大的优势，因此在光通讯等领域拥有极大的应用前景。但因其器件结构存在有源区薄，腔长短，单层增益较小等缺陷，为提高其有效光子限制能力，目前基本采用氧化dbr限制性型结构。氧化限制型结构可以减小材料中非辐射复合中心的寿命及对注入到有源区的电流形成有效的限制。
3.氧化限制型结构vcsel的主要工艺步骤包括：晶片外延生长，在晶片外延生长过程中，在靠近谐振腔的下布拉格反射镜层和/或上布拉格反射镜层设置有al组份很高的algaas层作为氧化限制层， vcsel芯片结构自下而上主要由n型掺杂的dbr反射镜，包含量子阱/量子点有源区的谐振腔，以及p型掺杂的dbr反射镜所构成；在外延生长形成的层结构中蚀刻出主动区平台，需要确保氧化限制层暴露于主动区平台的侧壁；对主动区平台的侧壁进行氧化处理，氧化时，沿着所述氧化限制层横向进行，被氧化的氧化限制层形成以氧化铝为主的氧化区域，氧化铝具有良好的绝缘性，可有效阻隔注入电流的通过，并限制注入电流的侧向扩散，同时氧化铝具有较小的折射率，能够使光场更为集中在电路注入窗口区域，提高了光场与有源区的交叠，增加光限制因子，起到减小器件阈值电流的作用，而中间未被氧化的区域则构成氧化孔，也就是vcsel的出光孔和电流注入区；之后再进行表面钝化，平坦化工艺（即用聚酰亚胺，苯并环丁烯等聚合物填充沟槽），以及制作电极并引出等步骤。氧化限制型结构vcsel的一种典型结构如图1所示，其由一系列半导体层结构组成，自下而上依次为gaas衬底1、缓冲层2、n型dbr3、量子阱4、氧化限制层5、p型dbr6、n 型电极7、p 型电极8、介质层9。
4.上述工艺工程中，主动区平台的侧壁氧化工艺十分关键，所生成氧化孔的孔径、形状以及周边氧化区域的微观结构等均会对最终器件的性能、可靠性等产生影响。在实际生产制程中，主动区平台形成后，其侧壁会生成自然氧化层，而自然氧化层的厚度、密度、分布等参数与前道制程工艺条件、半成品存储时间、存储条件等密切相关，而大批量生产过程中，自然氧化层的生成根本无法实现一致。在侧壁氧化过程中，水汽通过主动区平台侧面的自然氧化层扩散至高铝组分层，与dbr叠层中高铝组分（如al
x
ga
1-x
as，x≥0.98）的dbr层发生一系列复杂的化学反应，最终al被氧化成al2o3，ga被氧化成ga2o3，as在高温作用下变成气态通过形成的氧化层中的“通道”被排出，形成氧化限制型结构。而自然氧化层膜厚以及膜厚分布的不确定性会直接影响水汽扩散至高铝组分层的速率，从而影响形成氧化孔径的大小，降低产品的良率，破坏产品的一致性。


技术实现要素：

5.本发明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造方法，可使得主动区平台的侧壁氧化过程均匀一致，从而提高产品的良率和一致性。
6.本发明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造方法，包括：形成主动区平台的步骤；对所形成的主动区平台进行侧壁氧化以形成氧化孔的步骤；在上述两个步骤之间还包括：为主动区平台侧壁表面覆盖水汽透过率为1
×
100～5
×
10-2
g/（m2·
d）的保护膜的步骤。
7.优选地，所述保护膜的材料为al2o3与 tio2中的一种或两者的复合。
8.进一步优选地，所述保护膜的厚度为2nm～10 nm。
9.进一步优选地，所述保护膜的材料为al2o3与 tio2的复合，其中al2o3与 tio2的膜厚比为0.1～1。
10.优选地，使用原子层沉积方法为主动区平台侧壁表面覆盖所述保护膜。
11.优选地，所述保护膜的材料为sin
x
、sio2、sion中的一种或多种复合，所述保护膜的厚度为2nm～20 nm；进一步优选地，使用pecvd镀膜方法为主动区平台侧壁表面覆盖所述保护膜。
12.优选地，使用湿法氧化工艺进行所述侧壁氧化。
13.进一步优选地，所述湿法氧化工艺的工艺温度为350℃～450℃。
14.基于同一发明构思还可以得到以下技术方案：一种垂直腔面发射激光器，使用如上任一技术方案所述制造方法得到。
15.相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：本发明通过在氧化工艺前为主动区平台侧壁覆盖特定水汽透过率的保护膜，可在短期内抑制自然氧化膜的生成，并使得长期储存所生成的自然氧化膜均匀一致，进而使得后续侧壁氧化工艺较容易精确控制，所形成的氧化孔保持较好的一致性。
附图说明
16.图1为现有氧化限制型vcsel的一种典型结构；图2为本发明vcsel的一个具体实施例；图3为本发明vcsel的另一个具体实施例。
17.图中附图标记含义具体如下：1、gaas衬底；2、缓冲层；3、n型dbr；4、量子阱；5、氧化限制层；6、p型dbr；7、 n型电极；8、 p 型电极；9、介质层；10、保护膜。
具体实施方式
18.针对现有技术所存在的侧壁氧化工艺难以精准控制的不足，本发明的解决思路是在主动区平台形成之后，侧壁氧化工艺之前为主动区平台侧壁覆盖具有特定水汽透过率的保护膜，该保护膜可在短期内抑制自然氧化膜的生成，并使得长期储存所生成的自然氧化膜均匀一致，进而使得后续侧壁氧化工艺较容易精确控制，所形成的氧化孔保持较好的一致性。
19.具体而言，本发明的垂直腔面发射激光器制造方法，包括：形成主动区平台的步
骤；对所形成的主动区平台进行侧壁氧化以形成氧化孔的步骤；在上述两个步骤之间还包括：为主动区平台侧壁表面覆盖水汽透过率为1
×
100～5
×
10-2
g/（m2·
d）的保护膜的步骤。
20.上述技术方案中，所选择的保护膜是核心，需要选择水汽阻隔能力wvtr（水汽透过率）为1
×
100～5
×
10-2
g/（m2·
d）的保护膜，具体的材质可选择半导体工艺中常用的al2o3、tio2、sin
x
、sio2、sion等，具体的涂覆工艺可依据所选取的保护膜材质确定，例如，可使用ald镀膜方法涂覆al2o3与 tio2中的一种或两者的复合，总的膜厚可选择2nm～10 nm，如采用al2o3与 tio2复合保护膜，则al2o3与 tio2的膜厚比优选为0.1～1；又或者，可使用pecvd镀膜方法涂覆sin
x
、sio2、sion中的一种或多种复合，此时总的膜厚最好为2 nm～20 nm。
21.为了便于公众理解，下面通过具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：本实施例的vcsel制造方法包括以下步骤：步骤1、采用icp干法刻蚀工艺，刻蚀气体为cl2/bcl3或cl2/sicl4，刻蚀出主动区平台结构，使得高铝层暴露出来，一般刻蚀至量子阱层下层1-10对p型dbr；步骤2、采用ald工艺对上述步骤1的主动区平台结构覆盖保护膜，本实施例中的保护膜为al2o3、 tio2，或者al2o3/tio2复合层，总膜厚2nm-10 nm；镀膜温度为80-350℃；步骤3、采用湿法氧化工艺氧化对主动区平台进行侧壁氧化，湿氧化的工艺温度为350-450℃，形成中间带有氧化孔的氧化限制层；步骤4、进行平坦化和表面钝化，并制作电极，最终得到如图2所示vcsel。
22.图2与图1所示vcsel相同之处是都包括gaas衬底1、缓冲层2、n型dbr3、量子阱4、氧化限制层5、p型dbr6、n 型电极7、p 型电极8、介质层9；与图1不同之处在于介质层9与主动区平台之间具有一层保护膜10，可起到对氧化速率进行精确调控的作用。
23.经实际测试发现，上述保护膜对空气具有适当的阻挡作用，可延长空气通过保护膜向主动区平台侧面扩散的时间，且可使得空气扩散过程相对于无保护膜时的扩散更均匀，短时间内（≤48h）主动区平台侧面不易形成自然氧化层，较长时间内（≤96h）主动区平台侧面易形成分布均一的自然氧化层。无论是短时间放置或较长时间放置后的半成品在进行侧壁氧化处理时，其工艺可控性均得到大幅改善，最终所生成的vcsel良品率更高，性能一致性更好。
24.图3显示了采用本发明方法制备的另一种vcsel，与第一个实施例不同，其主动区平台外部的层结构都被去除，因此没有图2中的介质层9，保护膜10也只覆盖在主动区平台的侧壁。