垂直腔面发射激光器制备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备方法。本发明方法包括：在衬底上的层结构中蚀刻沟槽以形成被所述沟槽分隔出的柱状主动区平台的步骤，以及对所述柱状主动区平台进行侧壁氧化以在所述柱状主动区平台内形成氧化孔的步骤；所述沟槽为非闭合沟槽，所述柱状主动区平台与沟槽外的层结构之间具有至少一处连接部；所形成氧化孔的横截面形状呈边缘为平滑曲线的非圆形。本发明还公开一种垂直腔面发射激光器。相比现有技术，本发明可以极低的成本和代价同时实现垂直腔面发射激光器高速传输性能和可靠性的大幅提高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-EmittingLaser，简称VCSEL）制备方法，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

VCSEL是一种半导体器件，与一般激光由边缘射出的边射型激光器有所不同，其激光垂直于顶面射出。相比传统边射型激光器，VCSEL具有较小的远场发散角，发射光束窄且圆，易与光纤进行耦合；阈值电流低；调制频率高；在很宽的温度和电流范围内均以单纵横模工作；不必解理，即可完成工艺制作和检测，成本低；易于实现大规模阵列及光电集成等诸多优点，因此得到了越来越多的应用，其制备工艺也在快速发展。

现有VCSEL在制作的过程中，多采用氧化孔径的方法定义出光孔。其主要工艺步骤包括：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，外延生长完成的层结构如图1所示，自下而上，VCSEL芯片结构主要由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；如图2a、图2b所示，在外延生长形成的层结构中蚀刻出闭合的沟槽2，从而形成柱状（通常为圆柱状）主动区平台1，需要确保所述氧化限制层3暴露于所述主动区平台1的侧壁；对主动区平台1侧壁进行氧化，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Al

现有技术通常认为所述氧化孔的形状应尽可能接近圆形才能获得更好的出光效果，为了达到这一目的，一些改进工艺被提出；例如，有研究者提出通过将主动区平台的截面形状调整为椭圆型或者在主动区平台侧壁部分区域设置氧化扩散阻碍层来主动补偿修正侧壁各方向氧化速率的差异，以达到最终获得的氧化孔尽可能接近圆形。图3为现有圆柱状主动区平台结合侧面湿法氧化工艺所得到的主动区平台典型切片的SEM电子显微镜照片，从图3可以看出，其中的氧化孔（图中虚线框中的部分）的形状近乎为圆形，理论上应符合现有技术所追求的氧化孔理想形状。然而，发明人经长期研究发现：高速VCSEL激光器芯片的氧化孔直径一般在6微米及以上，所呈现的也是多横模的激射状态，类似光纤传输中的导波模式，且伴随圆形氧化孔形状的，是存在类似多模光纤中的极化简并与模式简并的现象，这会加剧增益竞争以及偏振态竞争，从而导致噪声的恶化，影响高速传输性能。因此，发明人认为圆形氧化孔并非最理想形状，有必要对氧化孔的形状进行进一步优化。

另一方面，如图2a、图2b所示，主动区平台经过刻蚀形成之后，完全与周围脱离，在后续的镀膜形成钝化层的工艺中，将引入介质膜所带来的压应力或/和拉应力，由此应力的影响极易造成主动区平台的破裂甚至崩塌，从而导致芯片完全失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服先后技术不足，提供一种垂直腔面发射激光器制备方法，可以极低的成本和代价同时实现垂直腔面发射激光器高速传输性能和可靠性的大幅提高。

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备方法，包括：在衬底上的层结构中蚀刻沟槽以形成被所述沟槽分隔出的柱状主动区平台的步骤，以及对所述柱状主动区平台进行侧壁氧化以在所述柱状主动区平台内形成氧化孔的步骤；所述沟槽为非闭合沟槽，所述柱状主动区平台与沟槽外的层结构之间具有至少一处连接部；所形成氧化孔的横截面形状呈边缘为平滑曲线的非圆形。

优选地，所述柱状主动区平台为圆柱状。

优选地，所述柱状主动区平台与沟槽外的层结构之间具有对称设置且宽度不同的两处连接部。

优选地，所形成氧化孔的横截面形状近似为椭圆型、水滴形或梨形。

进一步地，该方法还包括：在所述柱状主动区平台上形成电极并经由其中一处连接部将所述电极引出的步骤。

优选地，不对所述沟槽进行填充。

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，使用上任一技术方案所述制备方法。

相比现有技术，本发明技术方案及其进一步改进或优选技术方案具有以下有益效果：

本发明对主动区平台结构进行了改进，摒弃了传统的孤岛式结构，在主动区平台与沟槽外的层结构之间设置至少一处连接部，一方面可以起到结构加强作用，防止后续镀膜工艺所带来的应力影响，从而有效提高可靠性；另一方面这种改进的主动区平台结构可对后续的氧化孔生成过程产生影响，使得侧壁氧化所得到的氧化孔的横截面形状呈边缘为平滑曲线的非圆形，从而实现噪声系数的改良以及高速传输性能的大幅提高；

本发明对现有工艺制程条件的适应性极强，只需要对原有光刻图案略作调整即可，其余的刻蚀、氧化等工艺条件均无需变化，几乎不产生额外的成本，便于大规模推广应用；

由于主动区平台与沟槽外的层结构之间设置有至少一处连接部，因此后续主动区平台顶部电极可直接经由该连接部引出，因此可完全抛弃传统工艺中用聚合物填充主动区平台外沟槽的步骤，从而可进一步提高生产效率，降低生产成本。

附图说明

图1为垂直腔面发射激光器的层结构示意图；

图2a、图2b分别为主动区平台的纵剖面结构示意图和俯视结构示意图；

图3为现有工艺所得到的主动区平台典型切片的SEM电子显微镜照片；

图4为本发明一个优选实施例中主动区平台的俯视结构示意图；

图5为本发明优选实施例中所得到的主动区平台典型切片的SEM电子显微镜照片；

图6为本发明优选实施例与现有技术的相对强度噪声(RIN)对比示意图；

图7a、图7b分别为现有技术与本发明优选实施例的VCSEL芯片加速老化测试中激光器输出光功率pf的结果图。

图中标号含义如下：1、主动区平台，2、沟槽，3、氧化限制层。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明的解决思路是对主动区平台结构进行改进，摒弃传统的孤岛式结构，在主动区平台与沟槽外的层结构之间设置至少一处连接部，一方面可以起到结构加强作用，防止后续镀膜工艺所带来的应力影响，从而有效提高可靠性；另一方面这种改进的主动区平台结构可对后续的氧化孔生成过程产生影响，使得侧壁氧化所得到的氧化孔的横截面形状呈边缘为平滑曲线的非圆形，从而实现噪声系数的改良以及高速传输性能的大幅提高。

本发明所提出的垂直腔面发射激光器制备方法，包括：在衬底上的层结构中蚀刻沟槽以形成被所述沟槽分隔出的柱状主动区平台的步骤，以及对所述柱状主动区平台进行侧壁氧化以在所述柱状主动区平台内形成氧化孔的步骤；所述沟槽为非闭合沟槽，所述柱状主动区平台与沟槽外的层结构之间具有至少一处连接部；所形成氧化孔的横截面形状呈边缘为平滑曲线的非圆形。

上述技术方案中，所述柱状主动区平台的横截面形状可以是传统的圆形，也可以根据实际需要选择椭圆型、半圆形、矩形、多边形等其它合适的形状；为了实现对现有工艺条件改动最小，所述柱状主动区平台优选为最传统的圆柱状。

所述连接部的具体数量、位置以及形状、宽度等参数可根据所要实现的氧化孔形状，所使用的氧化工艺等进行优化；例如，可以是仅有1处连接部，也可以是均匀或非均匀分布的多处连接部；各连接部的形状、宽度可以相同，也可以不同；连接部的形状可以是矩形，也可以是梯形或者内凹、外凸的水瓶状等。

本发明是利用主动区平台的结构强化同时实现对氧化孔形状的优化。现有技术中存在一些对氧化孔进行主动修正的方案，例如根据主动区平台侧壁不同方向氧化速率的差异，通过主动区平台形状修正或者通过在主动区平台侧壁某些区域设置扩散阻碍层来对氧化速率差异进行补偿；然而发明人在实践中发现，此类氧化孔修正方案容易导致所生成氧化孔边缘存在一些不连续的突变，这些边缘的不连续突变表现为氧化孔横截面形状中存在钝角或锐角，在钝角或锐角的尖端处，不仅氧化层与上下相邻半导体层之间的材料应力作用会高于其他区域，而且在注入电流的作用下，电流拥挤效应也会更加剧烈，其综合效应即表现为器件更容易因氧化层的开裂或缺陷蔓延导致失效。因此，优化后的氧化孔的横截面形状应呈边缘为平滑曲线的非圆形，最好近似为椭圆型、水滴形或梨形等。

由于主动区平台与沟槽外的层结构之间设置有至少一处连接部，因此后续在主动区平台顶部所制备的电极可直接经由该连接部引出，因此本发明可进一步取消传统工艺中用聚合物填充主动区平台外沟槽的步骤，从而可进一步提高生产效率，降低生产成本。

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

本实施例中VCSEL的制备工艺具体如下：

步骤1、通过干法或湿法刻蚀工艺形成本发明所描述的主动区平台，且该平台并未完全与刻蚀沟槽外围其他层结构相分离；

步骤2、通过湿氧化工艺，高温下水汽通过刻蚀槽与主动区平台中的高Al层发生反应进而形成氧化孔；

步骤3、通过金属化工艺将环形正电极制作于主动区平台顶部，同时通过主动区平台的连接部将环形电极引至外围区域；

步骤4、通过镀膜工艺将一层或多层钝化保护膜堆叠完全覆盖并保护主动区平台。

本实施中经蚀刻所形成的主动区平台与传统的孤岛式平台不同，从图4所示的俯视角度可以清楚看出，本实施例中的沟槽2是非闭合的，主动区平台1的主体呈圆形，但在上、下相对称的位置分别有一处与沟槽外的层结构相连接的连接部，两处连接部的宽度d1、d2不同，d2>d1。通过这两处连接部，主动区平台1的结构强度得到了大幅加强，有助于防止后续镀膜工艺所带来的应力影响，从而有效提高产品可靠性。

这两处连接部同时还会对后续氧化孔的形成产生直接影响，从而实现氧化孔的优化。经侧壁氧化后在主动区平台1中所形成的氧化孔如图5中的虚线框部分所示，其整体呈近似椭圆型，且由于d1、d2不同，该近似椭圆型氧化孔的对称性被进一步打破，可更好地抑制模式间并和极化间并的存在，从而改良噪声系数。

为了验证本发明技术方案的技术效果，使用上述实施例所得到的VCSEL与现有技术VCSEL进行了相对强度噪声及有效使用寿命进行了比对。由图6可见，相较于传统圆形氧化孔的VCSEL，本发明近似椭圆形氧化孔的VCSEL将相对强度噪声RIN值抑制了3dB以上，这对改善高速传输中因多模VCSEL噪声而产生的误码率将起到显著的作用；同时，该类型芯片的有效使用寿命也较传统圆形氧化孔VCSEL得到进一步提升，如图7a、图7b所示，图7a为主动区平台完全未与刻蚀沟槽外层结构相连接的VCSEL验证结果，可见待测件在1000小时老化之后，光功率逐渐衰减至90%以下；而对比的图7b可见，因主动去平台与刻蚀槽外层结构相连接，待测件在2500小时老化后，光功率尚未衰减至90%以下。