一种双面键合长波长垂直腔面发射激光器及其制作方法

摘要

本发明是一种双面键合长波长垂直腔面发射激光器(VCSEL)及其制作方法。所述激光器包括N电极(1)，N型GaAs衬底(2)，N型GaAs/AlGaAs材料系的下分布布拉格反射镜(DBR)(3)，InP基应变量子阱有源区(4)，GaAs/AlGaAs材料系的上DBR(5)，其中上DBR(5)，由P型DBR(6)和本征DBR(7)组成，SiO2掩膜(8)，P电极(9)，出光窗口(10)。所述结构和所述方法改进了传统长波长VCSEL的DBR材料折射率差较小，热导、电导差的缺点，不仅可实现很好的电流限制，而且降低材料的吸收损耗、生长的难度和免去二次外延工艺步骤。

说明书

技术领域

本发明涉及垂直腔面发射激光器技术领域，特别是键合结构的长波长垂直腔面发射激光器及其制作方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器由于低阈值、圆形光束、高调制频率、动态单纵模工作和易二维集成等优点，成为光电子领域研究的热点。1.3μm和1.55μm波长垂直腔面发射激光器处于光纤的低色散和低衰减窗口，使得长波长垂直腔面发射激光器在中长距离光纤通信方面具有短波长VCSEL无法比拟的优点，加上这两个波段已有的通信标准和成熟技术，使长波长VCSEL在中长距离高速数据通讯、光互连、光并行处理、光识别系统，在城域网和广域网中应用前景十分广阔，极具市场前潜力。

在1.3μm与1.55μm波长附近区域，能够提供高增益的材料主要是基于InP衬底的材料，InP基的InGaAsP QW和AlGaInAs QW系VCSEL的一大难点就是与有源层材料晶格匹配的DBR材料，InGaAsP/InP、AlGaInAs/InP、InAlGaAs/InAlAs等材料的折射率差比较小，因此，要使DBR达到99％以上的反射率，就需要较多的周期数，从而增加了外延生长的困难。而且，较厚的DBR也会带来更大的串联电阻、更严重的热效应和更大的光损耗。另一方面，四元合金材料的热导率低，使器件的热阻难以降低，这些因素使InP基长波长VCSEL的研究进展与短波长VCSEL相比显著缓慢。

晶片键合技术，指一定温度、压力条件下的两块同质或异质晶片表面原子成键结合，晶片键合技术不受材料晶格与晶向失配限制，位错局限于界面，可弥补材料生长的不足，给器件设计和材料应用提供了更大的自由度，使得异质材料和器件之间的集成成为可能。

晶片键合技术应用到1.3μm与1.55μm波长VCSEL，将高反射率的GaAs/AlGaAs材料系组成的布拉格反射镜与InP基有源区键合起来，改进了传统长波长VCSEL分布布拉格反射镜层数多，热阻大，难以达到高反射率，外延生长困难的缺点。

长波长VCSEL目前常采用掩埋隧道结结构来实现电流限制，这种方法要求外延生长高质量的隧道结，同时还要再附加二次外延工艺步骤，增加器件制作成本，将上分布布拉格反射镜分成P型分布布拉格反射镜和本征分布布拉格反射镜两部分，同时采用氧化限制方法实现电光限制，而不是采用掩埋隧道结结构，来制备单内腔接触结构的长波长VCSEL，不仅可以实现很好的电流限制，降低了材料生长的难度和免去二次外延工艺步骤。

发明内容

本发明的目的是提供一种双面键合长波长垂直腔面发射激光器及其制作方法。

本发明涉及一种长波长垂直腔面发射激光器，所述激光器包括N型电极1，N型电极制作在N型GaAs衬底2背面，N型GaAs衬底2，N型GaAs/AlGaAs下分布布拉格反射镜DBR3，N型DBR制作在N型GaAs衬底2上，包括32个周期的N型GaAs/AlGaAs层18和19组成，InP基应变量子阱有源区4，三明治式的夹在N型DBR3和上分布布拉格反射镜DBR5之间，通过键合技术把三者键合在一起，上DBR5，制作在InP基应变量子阱有源区4，由P型DBR6和本征DBR7组成，其中P型DBR6键合在InP基应变量子阱有源区4上，由1.5个周期的P型GaAs层14，P型AlGaAs层15、P型氧化限制层16和P型GaAs层17，本征DBR7制作在P型DBR上，包括23.5个周期的本征GaAs/AlGaAs层11和12，以及λ/4厚的腐蚀停止层13组成，腐蚀停止层13与P型GaAs层14相连，本征GaAs层11与腐蚀停止层13相连，本征GaAs层11与本征AlGaAs层12相连，SiO₂掩膜8，覆盖在InP有源区4、P型GaAs层14和本征GaAs层11，和相应上DBR5的侧壁上，P电极9，制作在P型GaAs层14上，出光窗口5，制作在上DBR 5的本征GaAs层11上。所述激光器可以通过双面键合、选择性腐蚀、湿法氧化的等方法实现，改进了传统长波长垂直腔面发射激光器分布布拉格反射镜折射率差较小，热导、电导较差的缺点，同时将上DBR5分成P型DBR6和本征DBR7组成，采用氧化限制方法实现电光限制，而不是采用掩埋隧道结结构，来制备内腔接触结构的长波长VCSEL，不仅可以实现很好的电流限制，而且降低材料的吸收损耗、材料生长的难度和免去二次外延工艺步骤。

本发明还涉及是一种长波长垂直腔面发射激光器结构的制作方法，其特征在于，该制作方法包括如下步骤：

1)采用金属有机化学气相沉积方法在N型GaAs衬底2生长N型DBR3，N型DBR3包括32个周期的GaAs/AlGaAs层18和19，先生长AlGaAs层19，再生长GaAs层18，共重复32个这样的生长周期。

2)采用分子束外延生长方法在InP衬底依次生长In_0.47Ga_0.53As停止层和InP基有源区4，有源区材料可以是InGaAsP应变多量阱有源区，也可以是AlGaInAs应变多量阱有源区，量子阱的个数设计3-8个优化设计为5个，有源区光学厚度设计为n/2λ，n为奇数，优化设计为1.5λ，λ为激射波长，有源区自上而下为N-i-P型。

3)采用金属有机化学气相沉积方法在N型GaAs衬底生长上分布布拉格反射镜DBR5，在N型GaAs衬底依次生长腐蚀停层(以便后序键合工艺后腐蚀去掉GaAs衬底)，本征DBR7和P型DBR6。本征DBR5和N型DBR3分别位于不同的GaAs衬底上，通过键合方法与InP基有源区4键合在一起。

4)通过直接键合技术将N型DBR3与InP基有源区4键合在一起，完成第一次键合，然后减薄InP衬底，减至50-60μm，再采用化学腐蚀的方法去除InP衬底和相应的In_0.47Ga_0.53As腐蚀停止层20。

5)通过直接键合技术将上DBR5与已经键合好的有源区4和下DBR3键合在一起，完成第二次键合，然后减薄带有上DBR5衬底一侧，减至50-60μm，再采用化学腐蚀的方法去除GaAs衬底和相应的腐蚀停止层。

6)通过标准光刻掩膜技术，形成圆柱形台面图形，用光刻胶做掩膜进行湿法化学腐蚀本征DBR7。

7)用标准套刻工艺形成上第二个圆柱形台面图形，用光刻胶做掩膜湿法腐蚀P型DBR6，暴露出氧化限制层16的侧壁。

8)通过湿法氧化工艺将暴露出侧壁Al_0.98Ga_0.02As或AlAs层16，进行侧向氧化，形成电、光限制孔径，氧化孔径控制在10～20微米左右。

9)用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)300℃生长SiO₂8，通过标准光刻、腐蚀去掉环形电极孔径和出光窗口SiO₂，同时在P型上DBR6侧壁形成掩膜，以防止电流短路。

10)蒸发P电极9，再通过标准光刻工艺形成掩膜，然后腐蚀形成P电极9形状。

11)减薄、抛光N型GaAs衬底2，蒸发N电极1，然后进行合金化处理。

该结构和制作方法的主要特征如下：

1)上、下DBR5和3均为高折射率差0.5、良好的电导率和热导率的GaAs/AlGaAs材料系组成；

2)上分布布拉格反射镜5由P型分布布拉格反射镜6和本征分布布拉格反射镜7组成，不仅可以减少吸收损耗，而且内含氧化限制层，方便实现电流限制；

3)有源区为InP基的材料，有源区的为nλ/2，其中n为奇数，λ为激射波长；

4)上、下DBR3、5与有源区4分别在不同的衬底，采用不同的外延方式生长，并采用双面键合的方法将三部分键合在一起；

5)采用湿法氧化的对高Al组分的AlGaAs侧向氧化，来实现电、光流限制，而不是采用掩埋隧道结结构，降低材料生长难度，也免去了二次外延工艺；

6)湿法腐蚀方法将本征DBR7和P型DBR6，形成同轴的两个圆柱形台面，并将P型电极9制作在P型DBR6的P型GaAs层14上，N电极制作在N型GaAs衬底2上，属于单内腔接触结构垂直腔激光器。

本发明克服了传统长波长垂直腔面发射激光器分布布拉格反射镜层数多，热阻大，难以达到高反射率，外延生长困难的缺点。

附图说明

图1为双面键合长波长面发射激光器的示意图；

图2为AlGaInAs量子阱有源区的PL谱；

图3为双面键合衬底腐蚀后的光学照片；

图4为上、下DBR与有源区键合后扫描电镜(SEM)图；

图5为双面键合VCSEL器件的反射谱图；

图6为腐蚀出光台柱的显微镜照片图；

图7为湿法氧化后的显微镜照片图；

图8为Al_0.98Ga_0.02As层16部分氧化后的显微镜照片图；

图9为腐蚀SiO2后的显微镜照片图

图10为腐蚀TiAu后的显微镜照片图

图11为双面键合长波长面发射激光器的横向SEM图；

图12(a)为16μm氧化孔径双面键合VCSEL器件的P-I曲线；

图12(b)为20μm氧化孔径双面键合VCSEL器件的P-I曲线；

图13为20μm氧化孔径双面键合VCSEL器件的发射光谱图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅附图1至图13。本发明目的是提供一种双面键合长波长垂直腔面发射激光器。

所述激光器的结构如下：

图1为本发明双面键合长波长面发射激光器示意图。所述激光器包括N型电极1，N型电极制作在N型GaAs衬底2背面，N型GaAs衬底2，N型GaAs//Al_0.9Ga_0.1As AlGaAs下分布布拉格反射镜DBR3，N型DBR制作在N型GaAs衬底2上，包括32个周期的N型GaAs/Al_0.9Ga_0.1As层18和19组成，InP基应变量子阱有源区4，三明治式的夹在N型DBR3和上分布布拉格反射镜DBR5之间，通过键合技术把三者键合在一起，上DBR5，制作在InP基应变量子阱有源区4，由P型DBR6和本征DBR7组成，其中P型DBR6键合在InP基应变量子阱有源区4上，由1.5个周期的P型GaAs层14，P型/Al_0.9Ga_0.1As AlGaAs层15、P型/Al_0.98Ga_0.02As氧化限制层16和P型GaAs层17，本征DBR7制作在P型DBR6上，包括23.5个周期的本征GaAs//Al_0.9Ga_0.1As AlGaAs层11和12，以及λ/4厚的腐蚀停止层13组成，腐蚀停止层13与P型GaAs层14相连，本征GaAs层11与腐蚀停止层13相连，本征GaAs层11与本征AlGaAs层12相连，SiO₂掩膜8，覆盖在InP有源区4、P型GaAs层14和本征GaAs层11，和相应上DBR5的侧壁上，P电极9，制作在P型GaAs层14上，出光窗口10，制作在上DBR 5的本征GaAs层11上。

本发明还提供了一种双面键合长波长垂直腔面发射激光器的制作方法，所述方法包括如下步骤：

1)采用金属有机化学气相沉积方法在N型GaAs衬底2生长N型DBR3，N型DBR3包括32个周期的GaAs/AlGaAs层18和19，先生长AlGaAs层19，再生长GaAs层18，共重复32个这样的生长周期。

2)采用分子束外延生长方法在InP衬底依次生长In_0.47Ga_0.53As停止层和InP基有源区4，有源区材料为AlGaInAs应变多量阱有源区，量子阱个数优化设计为5个，有源区光学厚度设为计1.5λ，λ为激射波长，有源区自上而下为N-i-P型。AlGaInAs应变多量阱有源区的室温光致发光谱见图2，峰值波长1284nm，半宽48.3nm。

3)采用金属有机化学气相沉积方法在另外一个在N型GaAs衬底依次生长腐蚀停层和上分布布拉格反射镜DBR5，上DBR5和N型DBR3分别位于不同的GaAs衬底上，通过键合方法与InP基有源区4键合在一起。具体的生长顺序：在N型GaAs衬底依次生长腐蚀停层(以便后序键合工艺后腐蚀去掉GaAs衬底)，本征DBR7和P型DBR6。本征DBR7由23.5个周期的本征GaAs/Al_0.9Ga_0.1As层11和12，和λ/4厚腐蚀停止层13组成，生长顺序GaAs层11Al_0.9Ga_0.1As层12，重复23.5个周期GaAs/Al_0.9Ga_0.1As层，然后生长腐蚀停层13；其中P型DBR6，由1.5周期的P型GaAs层14、Al_0.9Ga_0.1As层1530nm厚的P型Al_0.98Ga_0.02As氧化限制层16和P型GaAs层17、P型GaAs层14生长在腐蚀停层13，生长顺序依次是层P型GaAs层14，P型/Al_0.9Ga_0.1As AlGaAs层15、P型Al_0.98Ga_0.02As氧化限制层16和P型GaAs层17。

4)采用直接键合技术将有源区4与N型DBR3键合在一起，键合界面是InP/GaAs，然后减薄InP衬底一侧，减少至50-60μm，再采用化学腐蚀的方法去除InP衬底和相应的In_0.47Ga_0.53As腐蚀停止层，InP衬底去除的腐蚀液采用体积比为HCl∶H₂O(3∶1)，腐蚀停止层InGaAs的去除采用体积比H₃PO₄∶H₂O₂∶H₂O(1∶5∶5)腐蚀液。

5)通过直接键合技术将上DBR5与已经键合好的有源区4和N型DBR3键合在一起，键合界面是InP/GaAs，完成第二次键合，然后减薄带有上布拉格反射镜衬底一侧，减少至50-60μm，再采用化学腐蚀的方法去除GaAs衬底和相应的腐蚀停止层，GaAs衬底去除的腐蚀液采用体积比NH4OH∶H₂O₂(1∶20)，腐蚀停止层的去除采用体积比HCL∶H₂O(2∶1)腐蚀液。

图3为双面键合衬底腐蚀去除后的光学照片，从图中可以看出，双面键合衬底腐蚀去除后，1×1cm²双面键合晶片表面光亮平整，无气泡，键合面积大于95％。

相应扫描电子显微镜图SEM见4，由图4可见键合界面十分完整清晰。

相应反射谱图见图5，反射谱的中心波长1312nm，高反射通带宽度122nm，由于上DBR对数较多，反射谱中腔膜的位置不是很明显。

6)通过标准光刻掩膜技术，形成圆柱型台面图形，用光刻胶做掩膜进行湿法化学腐蚀本征布拉格反射镜。

7)用标准套刻工艺形成上第二个圆柱型台面图形，用光刻胶做掩膜湿法腐蚀P型布拉格反射镜6，暴露出氧化限制层16的侧壁。图6为腐蚀出光台柱的显微镜照片图。

8)通过湿法氧化工艺对30nm厚的Al_0.98Ga_0.02As层16进行侧向氧化，形成电、光限制孔径，氧化孔径控制在10～20微米，氧化后的显微镜照片见图7。湿法氧化工艺条件：氮气N₂流量1L/min，水浴温度95℃，氧化炉温度430℃，氧化速率1μm/min，图8为30nm厚的Al_0.98Ga_0.02As氧化30分钟后的显微镜照片图，图中中心的圆孔为未氧氧化部分，氧化孔径约20微米，圆孔的外的圆环部分为已经氧化部分。

9)用等离子体增强化学汽相淀积(PECVD)300℃生长SiO₂8，通过标准光刻、腐蚀去掉环形电极孔径和出光窗口，同时在P型上分布布拉格反射镜6侧壁形成掩膜，以防止电流短路，见图9。

10)蒸发TiAu P型电极，通过标准光刻技术，腐蚀TiAu得到P电极9，见图10。

11)减薄、抛光N型GaAs衬底2，蒸发N型AuGeNi/Au电极1，然后进行合金化处理，合金条件，合金温度430-450℃，45秒。经过完整工艺双面键合长波长VCSEL器件截面的SEM图11，图中清楚的显示出了上DBR5、有源区4和N型DBR6，相应的内腔接触式器件结构。

图12(a)和图12(b)分别为氧化孔径16μm，20μm双面键合VCSEL器件在室温连续测试条件下，相应的P-I曲线，对比图12(a)和图12(b)中可以看出，随着氧化孔径变大，阈值电流变大，由16μm氧化孔径的1.5mA增到20um氧化孔径的3mA。16um氧化孔径器件的7.8mA的注入电流下，输出功率达到92uW；20氧化孔径的器件17.8mA的注入电流下，输出功率0.15mW。

图13为20μm氧化孔径器件，在0.1％占空比，58.3mA电流下发射光谱，发射波长1273.6nm，半宽0.2nm。

以上所述，仅是根据本发明技术方案提出的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的权利要求保护范围内。