一种氧化限制型垂直腔面发射激光器的制造方法与流程

1.本发明属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种氧化限制型垂直腔面发射激光器的制造方法。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器（vcsel）具有调制速度快、光束质量高、功耗低、结构简单、制造成本低特点，广泛应用于光通信领域，是短距离光通信理想光源。vcsel激光器有源区薄，腔长短，单层增益小。
3.现有vcsel通常采用氧化限制型dbr（distributed bragg reflection ，分布式布拉格反射镜）结构，即通过湿法氧化工艺将dbr层（通常为al
x
ga
1-x
as/gaas或者alas/gaas）中某一层或者多层铝组分含量高的dbr层（al
x
ga
1-x
as层，x≥0.95或者alas层）的外圈氧化形成氧化铝，从而得到氧化限制型dbr结构，中间未被氧化区域形成氧化孔，作为激光器的光子和电流通道。氧化铝导电性极差，电流不能通过氧化限制型dbr结构中的氧化铝层，绝大部分注入的电流在氧化铝层的限制作用下从氧化孔进入到有源层，形成对注入到有源区的电流有效的限制。铝含量高的al
x
ga
1-x
as层，x≥0.95或者alas层，折射率n为2.9-3.0，gaas层折射率n为3.5-3.6，湿氧化前折射率差δn为0.6-0.7，湿氧化形成的氧化铝折射率n为1.5-1.6，湿氧化后折射率差δn增大至2.0-2.1，因此，氧化限制型dbr结构可极大地提高有效光子的限制能力。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dbr、6、n 型电极7、p 型电极8、介质层9。
4.现有氧化限制型vcsel的湿法氧化过程通常采用410-480℃的高温条件，水蒸气在高温的作用下将高铝组分（如al
0.98
ga
0.02
as等）氧化，形成al2o3, ga2o3, as等化合物，该反应过程较复杂。以湿氧化气氛为h2/n2混合气与h2o蒸汽为例，其化学反应过程如下：2algaas 3h2o(g) = al2o3 2ash3 2ga2algaas 4h2o(g) = 2alo(oh) 2ash3 2ga2ash3 = 2as(g) 3h22ash3 3h2o = as2o3(g) 6h2 as2o3(l) 3h2 = 2as(g) 3h2o(g)湿氧化速率随着温度的提高呈现指数增速的现象，因此，较高的工艺温度可以提高湿氧化速率。然而，过高的湿氧化温度会产生较大的氧化层应力，这种应力会导致氧化层及gaas界面出现严重的分离或开裂现象，会影响vcsel激光器的可靠性，甚至会导致vcsel激光器不能正常工作。降低湿法氧化的工艺温度虽可以减弱界面分离等异常，但反应可能不完全，不能形成很好的氧化限制型结构，同时反应过程很慢致使氧化时间过长，也会严重影响vcsel激光器的产能。


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，提供一种氧化限制型垂直腔
面发射激光器的制造方法，可在满足所要求的湿氧化速率的前提下，大幅降低湿法氧化的工艺温度，进而降低湿法氧化过程中所产生的应力，提高氧化限制型垂直腔面发射激光器的可靠性。
6.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种氧化限制型垂直腔面发射激光器的制造方法，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氧化为氧化铝，以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；所述制造方法还包括在湿法氧化步骤前的离子注入步骤，用于对所述一层或多层高铝层的外圈区域的部分或全部区域进行离子注入，以降低湿法氧化步骤中的工艺温度。
7.优选地，所述湿法氧化步骤中的工艺温度为360℃～380℃。
8.优选地，进行离子注入的所述一层或多层高铝层的外圈区域的内径比所述氧化孔的直径大1μm～6μm。
9.一种氧化限制型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。
10.相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：本发明在湿法氧化前，对拟氧化高铝层的部分或全部区域进行离子注入处理，使得这部分高铝层形成离子注入损伤，该部分带有离子注入损伤的高铝层可在较低的湿法氧化温度下达到相同的氧化速率，因此，湿法氧化工序的工艺温度可以降低，从而可在满足所要求的湿氧化速率的前提下，大幅降低湿法氧化过程中所产生的应力，提高氧化限制型垂直腔面发射激光器的可靠性。此外，由于本发明采用了成熟的离子注入工艺，实现成本较低。
附图说明
11.图1为一种典型氧化限制型垂直腔面发射激光器的结构示意图；其中的附图标记具体如下：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、介质层；图2为本发明的原理示意图。
具体实施方式
12.针对现有技术所存在的湿法氧化工艺温度过高的问题，本发明的解决思路是在湿法氧化前，对拟氧化高铝层的部分或全部区域进行离子注入处理，使得这部分高铝层形成离子注入损伤，该部分带有离子注入损伤的高铝层可在较低的湿法氧化温度下达到相同的氧化速率，因此，湿法氧化工序的工艺温度可以降低，从而可在满足所要求的湿氧化速率的前提下，大幅降低湿法氧化过程中所产生的应力，提高氧化限制型垂直腔面发射激光器的可靠性。
13.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种氧化限制型垂直腔面发射激光器的制造方法，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氧化为氧化铝，以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；所述制造方法还包括在湿法氧化步骤前的离子注入步骤，用
于对所述一层或多层高铝层的外圈区域的部分或全部区域进行离子注入，以降低湿法氧化步骤中的工艺温度。
14.相比现有410-480℃的氧化温度，本发明的湿法氧化工艺温度可大幅降低，通过大量实验发现：当湿法氧化步骤中的工艺温度为360℃～380℃时，其氧化速率与传统工艺的氧化速率相当，可达到0.2-0.8um/min，但所导致的应力大幅减小，因此，本发明优选采用360℃～380℃的湿法氧化工艺温度。
15.理想情况下，离子注入区域应恰好为拟氧化的这部分高铝层，但考虑到离子注入区域的控制精度，为了防止对氧化孔产生不良影响，离子注入区域应略大于拟设置的氧化孔，优选地，进行离子注入的所述一层或多层高铝层的外圈区域的内径比所述氧化孔的直径大1μm～6μm。
16.本发明使用的注入离子可为现有离子注入工艺所常用的o、ar等，理论及实验表明，这些离子注入均可使高铝层产生离子注入损伤，从而达到降低湿法氧化工艺温度的目的。具体的离子注入工艺参数需要根据所选择的离子注入目标区域深度、离子类型等灵活调整，考虑到离子注入为现有成熟技术，此处不再赘述。
17.为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：以图1所示结构的氧化限制型垂直腔面发射激光器为例，本发明所采用的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，在外延片上刻蚀p mesa台阶结构，使得主动区平台结构中待氧化的高铝层暴露出来，刻蚀一般刻至量子阱层下层1-10对p-dbr；步骤2、如图2所示，采用光刻工艺对主动区平台结构中心区域覆盖光刻胶（pr），光刻胶覆盖区域略大于目标氧化孔，本实施例中光刻胶边缘与目标氧化孔边缘的水平距离为1-3μm，光刻胶膜厚5-10μm；进行离子注入，注入离子为o、ar等，注入能量参考需求注入的深度，需求注入的深度越深注入能量越大，一般为350-400kev；注入计量参考高铝层层厚，高铝层层厚越厚需求注入的计量越大，一般为1e
11-5e
12
/cm2；步骤3、如图2所示，采用湿法氧化工艺氧化将完成离子注入的高铝层中的al氧化，湿氧化温度为360-380℃，h2/n2混合气流量0.3～2 l/min，h2o蒸汽流量0.2～1 l/min，压力20～900 mbar，得到具有氧化限制型结构的p mesa台阶结构；步骤4、对上述步骤所完成的外延片进行光刻，仅保留p-metal区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；然后进行p-metal金属沉积，金属为ge/au/ni/au，金属总膜厚为0.5-1.5um；去除光刻胶，得到具有p-metal的外延片；步骤5、对上述步骤得到的外延片光刻，待刻蚀的n-mesa区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；使用干刻工艺刻蚀n-mesa，刻蚀气体为cl2/bcl3或cl2/sicl4，刻蚀至buffer层；然后去除光刻胶，得到具有特定n-mesa结构的外延片；步骤6、对上述步骤得到的外延片光刻，待沉积n-metal区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；进行n-metal金属沉积，金属为ti/pt/au，金属总膜厚为0.5-1.5um；最后去除光刻胶，得到具有n-metal的外延片；步骤7、对上述步骤得到的外延片进行裂片，得到本发明的氧化限制型垂直腔面发
射激光器。
18.由于上述制造过程中的湿法氧化工艺温度仅为360-380℃，湿氧化过程所产生的内应力相比传统工艺大幅降低，因此采用本发明制造方法所得到的氧化限制型垂直腔面发射激光器具有更高的可靠性。