垂直腔面发射激光器制造方法及垂直腔面发射激光器

摘要

本发明公开了一种垂直腔面发射激光器制造方法，所述垂直腔面发射激光器包括自下而上依次排列的有源层、氧化限制层、上反射层、上电极，氧化限制层中间设置有氧化孔，上电极中间设置有与所述氧化孔同心且孔径大于氧化孔孔径的出光孔，上反射层中设置有与所述出光孔垂直方向投影同心的环状高电阻区，环状高电阻区的内径大于出光孔孔径；本发明提前制作上电极，并在上电极制作过程中以上电极金属膜作为掩模进行质子注入，形成环状高电阻区，然后对上电极金属膜进行刻蚀，从而得到与环状高电阻区准确对准的上电极。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。本发明可有效消除对位偏差所导致的电流拥挤问题，降低寄生电容，提高激光器数据传输带宽。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种垂直腔面发射激光器制造方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL）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，目前基本采用氧化限制型结构。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。

现有技术多采用对上反射层（通常为DBR，distributed Bragg reflection，分布式布拉格反射镜）进行渐变掺杂，以降低上反射层的电阻，但掺杂后的上反射层仍然是半导体，会在上电极和下电极之间产生较大的寄生电容，较大的寄生电容严重影响激光器数据传输带宽和数据传输速率的提升。为解决这一问题，部分研究者提出采用质子注入工艺，将H离子注入至上反射层，被注入部分的上反射层在离子注入作用下变成绝缘体（下文称这一绝缘化区域为环状高电阻区），可以有效降低上电极和下电极之间的寄生电容，提升了激光器性能。但现有制造工艺涉及多道对位工艺，对位误差会造成上电极与环状高电阻区在垂直方向上存在对位偏差，水平方向上上电极覆盖环状高电阻区的宽度和未绝缘化的上反射层区域的宽度不一致，未绝缘化的上反射层区域宽度不一致，电流在较宽处的未绝缘化的上反射层区域较大，电流在较窄处的未绝缘化的上反射层区域较小，造成较宽处的未绝缘化上反射层区域注入到有源层的电流拥挤（current crowding效应），特别是在较大驱动电流条件下，电流拥挤更易造成激光器模态的稳定性差，降低激光器数据传输带宽。另一方面，上电极下方较宽处未绝缘化的上反射层区域不能有效降低上电极和下电极之间的寄生电容，也会降低激光器数据传输带宽。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的不足，提供一种垂直腔面发射激光器制造方法，可使得上电极与环状高电阻区、氧化孔之间准确对准，消除对位偏差所导致的电流拥挤问题，降低寄生电容，提高激光器数据传输带宽。

本发明所采用的技术方案具体如下：

一种垂直腔面发射激光器制造方法，所述垂直腔面发射激光器包括自下而上依次排列的有源层、氧化限制层、上反射层、上电极，所述氧化限制层中间设置有氧化孔，所述上电极中间设置有与所述氧化孔同心且孔径大于氧化孔孔径的出光孔，所述上反射层中设置有与所述出光孔垂直方向投影同心的环状高电阻区，所述环状高电阻区的内径大于出光孔孔径；所述制造方法包括以下步骤：

外延生成有源层、氧化限制层、上反射层；

在上一步骤所生成的外延片上表面设置与上电极材质相同的质子注入掩模，所述质子注入掩模对应于所述环状高电阻区位置处的膜厚较薄，可进行正常的质子注入，质子注入掩模其余部分的膜厚较厚，足以阻挡质子注入；

对外延片进行质子注入，在质子注入掩模膜厚较薄处的下方形成所述环状高电阻区；

将质子注入掩模中被环状高电阻区所环绕的膜厚较厚部分去除，剩余的质子注入掩模即形成出光孔与环状高电阻区准确对位的上电极。

优选地，使用H离子或者He离子进行所述质子注入。

优选地，使用ICP干法刻蚀工艺将质子注入掩模中被环状高电阻区所环绕的膜厚较厚部分去除。

基于以上制造方法可以得到以下技术方案：

一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，使用如上任一技术方案所述制造方法制造得到。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明采用自对准工艺对现有质子注入型VCSEL的制造工艺进行改进，提前制作上电极，并在上电极制作过程中以特殊结构的上电极金属膜作为质子注入掩模进行质子注入，形成环状高电阻区，然后对上电极金属膜进行刻蚀，从而得到与环状高电阻区准确对准的上电极，该技术方案可有效消除对位偏差所导致的电流拥挤问题，降低寄生电容，提高激光器数据传输带宽。

附图说明

图1为一种传统质子注入型VCSEL的纵剖面结构示意图；

图2为图1的局部放大示意图；

图3为采用本发明制造方法所得到的质子注入型VCSEL的纵剖面结构示意图；

图4为图3的局部放大示意图；

图5为质子注入掩模的纵剖面结构示意图。

图中包含以下附图标记：

1：GaAs衬底；2： Buffer层；3：N型DBR；4：量子阱有源层；5：氧化限制层；6：P型DBR；7：N Metal；8：P Metal；9：介质层；10：环状高电阻区；11：质子注入与P Metal错位区；12、质子注入与P Metal自对准区；A、A`：未绝缘化P型DBR区域；B、B`：绝缘化P型DBR区域；d、d`：氧化孔孔径； D`：出光孔孔径。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是采用自对准工艺对现有质子注入型VCSEL的制造工艺进行改进，提前制作上电极，并在上电极制作过程中以特殊结构的上电极金属膜作为质子注入掩模进行质子注入，形成环状高电阻区，然后对上电极金属膜进行刻蚀，从而得到与环状高电阻区准确对准的上电极，该技术方案可有效消除对位偏差所导致的电流拥挤问题，降低寄生电容，提高激光器数据传输带宽。

本发明所采用的技术方案具体如下：

一种垂直腔面发射激光器制造方法，所述垂直腔面发射激光器包括自下而上依次排列的有源层、氧化限制层、上反射层、上电极，所述氧化限制层中间设置有氧化孔，所述上电极中间设置有与所述氧化孔同心且孔径大于氧化孔孔径的出光孔，所述上反射层中设置有与所述出光孔垂直方向投影同心的环状高电阻区，所述环状高电阻区的内径大于出光孔孔径；所述制造方法包括以下步骤：

外延生成有源层、氧化限制层、上反射层；

在上一步骤所生成的外延片上表面设置与上电极材质相同的质子注入掩模，所述质子注入掩模对应于所述环状高电阻区位置处的膜厚较薄，可进行正常的质子注入，质子注入掩模其余部分的膜厚较厚，足以阻挡质子注入；

对外延片进行质子注入，在质子注入掩模膜厚较薄处的下方形成所述环状高电阻区；

将质子注入掩模中被环状高电阻区所环绕的膜厚较厚部分去除，剩余的质子注入掩模即形成出光孔与环状高电阻区准确对位的上电极。

优选地，使用H离子或者He离子进行所述质子注入。

优选地，使用ICP干法刻蚀工艺将质子注入掩模中被环状高电阻区所环绕的膜厚较厚部分去除。

基于以上制造方法可以得到以下技术方案：

一种垂直腔面发射激光器，其特征在于，使用如上任一技术方案所述制造方法制造得到。

为了便于公众理解，下面通过一个实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

图1、图2显示了一种传统质子注入型VCSEL的基本结构。如图1、图2所示，该VCSEL包括GaAs衬底1、Buffer层2、N型DBR3、量子阱有源层4、氧化限制层5、P型DBR6、N Metal7、PMetal8、介质层9；在氧化限制层5中间有通过侧壁湿氧化工艺制备出的氧化孔，其孔径为d；P Metal8中间设置有与所述氧化孔同心且孔径大于氧化孔孔径d的出光孔，在P Metal8中设置有与所述出光孔垂直方向投影同心的环状高电阻区10，所述环状高电阻区10是通过质子注入工艺对这一区域注入H离子，使这一区域的P型DBR材料电阻率升高，实现绝缘化，环状高电阻区10的内径大于出光孔孔径。

传统工艺是在GaAs衬底1上先依次外延生成Buffer层2、N型DBR3、量子阱有源层4、氧化限制层5、P型DBR6，然后对所生成的外延片进行质子注入，生成环状高电阻区10，接着刻蚀出P-Mesa结构，然后进行侧壁湿法氧化以在氧化限制层5中间生成氧化孔，接着刻蚀出N-Mesa结构，最后进行N Metal7和P Metal8的制作。采用此种工艺，不可避免会出现对位偏差。如图2所示，对位误差造成P-Meta8与环状高电阻区10在垂直方向上存在对位偏差，形成图中所示的质子注入与P Metal错位区11，水平方向上P-Metal8覆盖绝缘化P型DBR区域B的宽度和未绝缘化P型DBR区域A的宽度不一致，左右两边未绝缘化的P型DBR区域A宽度不一致，电流在较宽处的未绝缘化P型DBR区域较大，电流在较窄处的未绝缘化P型DBR区域较小，造成较宽处的未绝缘化P型DBR区域注入到有源层的电流拥挤（current crowding效应），特别是在较大驱动电流条件下电流拥挤更易造成激光器模态的稳定性差，降低激光器数据传输带宽。P-Metal下方较宽处未绝缘化P型DBR区域不能有效降低P-Metal和N-Metal之间的寄生电容，也会降低激光器数据传输带宽。

为解决这一问题，本发明采用自对准工艺对现有质子注入型VCSEL的制造工艺进行改进，提前制作上电极，并在上电极制作过程中以特殊结构的上电极金属膜作为质子注入掩模进行质子注入，形成环状高电阻区，然后对上电极金属膜进行刻蚀，从而得到与环状高电阻区准确对准的上电极。仍以图1所示质子注入型VCSEL为例，本发明所采用的制造方法具体如下：

步骤1、在GaAs衬底1上依次外延生成Buffer层2、N型DBR3、量子阱有源层4、氧化限制层5、P型DBR6；

步骤2、在外延片表面沉积一层2.5-3um厚的P-Metal膜（本实施例中P-Metal为金属Mo）；采用ICP干法刻蚀工艺对上述P-Metal膜进行干刻，刻蚀气体为SF6/Ar或CF4/Ar或SF6/CF4/Ar，刻蚀深度为2.5-2.8um，去除光刻胶，得到图3所示形状的P-Metal膜，其中心部分膜厚2-3um，直径等于所设计的出光孔孔径D`（大于所设计的氧化孔孔径d），其余部位膜厚0.2-0.5um，A`、B`分别为不需要绝缘化的P型DBR区域宽度和需要绝缘化的P型DBR区域宽度，D`=2*A`+d；

步骤3、以所得到的P-Metal膜作为掩模进行质子注入，注入离子为H离子或者He离子，能量50-400 Kev，剂量1E

步骤4、对质子注入完成的外延片进行光刻，待刻蚀的P-Metal膜中心膜厚较厚区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；采用干刻工艺刻蚀P-Metal膜，刻蚀气体为SF6/Ar或CF4/Ar或SF6/CF4/Ar，刻蚀至外延片P型DBR最表面的GaAs层，去除光刻胶，得到具有出光孔结构的P-Metal的外延片；

步骤5、对外延片进行光刻，待刻蚀P-Mesa区域无光刻胶，外延片其余部分被光刻胶覆盖；干刻工艺刻蚀P-Mesa，刻蚀气体为Cl2/BCl3或Cl2/SiCl4，刻蚀至量子阱层下层1-10对N-DBR，去除光刻胶，得到具有特定P-Mesa结构的外延片；

步骤6、对外延片进行侧壁湿法氧化，AlGaAs层中的Al被氧化成AlO

步骤7、ALD沉积Barrier层，防止水蒸气通过氧化层或者氧化层/GaAs界面扩散至量子阱有源层，对量子阱有源层造成腐蚀；

步骤8、对得到的外延片光刻，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；干刻工艺刻蚀出N-Mesa，刻蚀气体为Cl2/BCl3或Cl2/SiCl4，刻蚀至Buffer层；去除光刻胶，得到具有特定N-Mesa结构的外延片；

步骤9、对得到的外延片光刻，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；去除光刻胶，得到具有N-Metal的外延片；

步骤10、对得到的外延片进行裂片，得到本发明的激光器。

采用以上制造方法最终得到的本发明质子注入型VCSEL如图4、图5所示，P-Metal下方为绝缘化/非绝缘化P型DBR形成自对准结构，不会出现图1、图2中的质子注入与PMetal错位区11，而是形成图4、图5中的质子注入与P Metal自对准区12；未绝缘化P型DBR区域环绕出光孔和氧化孔对称分布，其各处宽度A`保持一致；绝缘化P型DBR区域同样环绕出光孔和氧化孔对称分布，其各处宽度B`保持一致。这一结构避免了P-Metal下方绝缘化/非绝缘化P型DBR垂直方向错位，降低了注入至有源层的电流拥挤，特别是在较大驱动电流调条件下电流拥挤影响激光器模态稳定，提升了激光器数据传输带宽的可能性。同时自对准结构能有效降低P-Metal和N-Metal之间因错位产生的寄生电容可能性，提升了激光器数据传输带宽。