具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器的制作方法

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）。


背景技术：

2.垂直腔面发射激光器具有较高的光功率，同时可以很好地控制横向模态，因此在光通讯、姿态感知传感器、印刷以及磁存储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，目前多采用氧化限制型结构。氧化限制型结构形成的氧化孔对注入到有源区的电流具有非常好的横向限制能力，使得横向几乎电流。同时这一氧化孔结构还可以将激光器有源区发出的光进行一定的横向束缚，减少激光器的模态，模态减少可以很好地稳定激光器。
3.现有氧化限制型vcsel在制备过程中，需要首先通过对外延片（包括衬底和外延层，外延层由交替的al
x
ga
1-x
as层和gaas层组成）进行刻蚀形成包括自下而上依次设置的部分第一dbr层、有源层、第二dbr层的主动区平台，然后对第二dbr层中靠近有源层的高铝含量al
x
ga
1-x
as层进行侧壁氧化，高铝含量al
x
ga
1-x
as层的外围被氧化而中间区域未被氧化，从而形成中间具有氧化孔的氧化限制结构。
4.上述刻蚀过程会在主动区平台侧壁和槽底形成大量缺陷，这些缺陷容易形成大量的表面缺陷复合中心，而这些表面缺陷复合中心是激光器漏电的通道，会影响激光器的性能和可靠性；上述侧壁氧化过程则会在主动区平台侧壁表面形成大量氧化物，这些氧化物性质不稳定且处于非化学计量比状态，进一步加剧了表面缺陷复合中心的产生，恶化了激光器的漏电问题，最终进一步影响激光器的性能和可靠性。
5.此外，侧壁氧化过程中除高铝层被氧化外，有源层上方的dbr层中铝含量较低的al
x
ga
1-x
as层也会被氧化，被氧化的长度一般为1-3 um。图1显示了现有氧化限制型vcsel的一种典型结构，其包括：gaas衬底1、buffer层2、 n型dbr层3、量子阱有源层4、p型dbr层5、氧化限制层7、介质保护层9、p型金属10、 n 型金属11；如图1所示，p型dbr层5上部的低铝含量al
x
ga
1-x
as层的外缘也在侧壁氧化过程中被氧化形成低铝层氧化部分8。低铝层被氧化不仅造成主动平台外侧dbr层结构发生变化，还会产生很大的应力，影响激光器的性能和可靠性。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，可对刻蚀过程和侧壁氧化过程中所形成的主动区平台侧面的表面缺陷复合中心进行有效隔离，从而有效提高激光器的性能和可靠性。
7.本发明所提出的具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，包含主动区平台，所述主动区平台包括自下而上依次设置的部分第一dbr层、有源层、氧化限制层、第二dbr层；在所述第二dbr层中设置有缺陷隔离区，所述缺陷隔离区包括靠近主动区平台边缘并环绕主
动区平台中心区域的竖直沟槽，所述竖直沟槽在水平方向的投影呈闭合形状，在所述竖直沟槽中填充有高导热陶瓷材料。
8.进一步地，在填充所述高导热陶瓷材料之前所述竖直沟槽的内侧壁面经三甲基铝（tma）表面处理，具体方法如下：在250-350 ℃的处理温度和50-500 pa的处理压力下，进行若干次以下循环处理：先在反应室中通入三甲基铝，通入时间5-60 s，然后通入氮气，通入时间5-60 s。
9.更进一步地，在所述三甲基铝表面处理之前，具有所述竖直沟槽的主动区平台经过氮气保护环境下的热处理，热处理温度为250-350 ℃，热处理时间为30-60 min；或者，在所述三甲基铝表面处理之前，具有所述竖直沟槽的主动区平台经过氢气热处理，具体方法如下：在氢气气氛下对具有所述竖直沟槽的主动区平台进行热处理，热处理温度为350-500℃，热处理时间为15-30 min。
10.进一步地，在填充所述高导热陶瓷材料之前，具有所述竖直沟槽的主动区平台经过氢气热处理，具体方法如下：在氢气气氛下对具有所述竖直沟槽的主动区平台进行热处理，热处理温度为350-500℃，热处理时间为25-40 min。
11.优选地，所述竖直沟槽与主动区平台在水平方向的投影形状相同。
12.优选地，所述竖直沟槽与主动区平台边缘在水平方向的距离为0.5 um
ꢀ‑
3 um。
13.优选地，所述高导热陶瓷材料为以下材料中的任意一种：aln、alcrn、crn、tin、tialn、tan、sic。
14.优选地，所述缺陷隔离区形成于氧化限制层形成之前。
15.相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：本发明对现有氧化限制型vcsel的主动区平台结构进行改进，在氧化限制层之上的第二dbr层中设置填充有高导热陶瓷材料的缺陷隔离区，可对刻蚀过程和侧壁氧化过程中所形成的主动区平台侧面的表面缺陷复合中心进行有效隔离，同时可将激光器使用过程中产生的热量有效地传导出激光器，从而大幅提升激光器性能和可靠性。
附图说明
16.图1为一种现有氧化限制型vcsel的剖面结构示意图；图2为本发明具有缺陷隔离区的vcsel的剖面结构示意图；图3～图15为图2所示vcsel的一种制备工艺的过程示意图。
17.图中所出现的附图标记含义如下：1、gaas衬底；2、buffer层；3、n型dbr层；4、量子阱有源层；5、p型dbr层；6、缺陷隔离区；7、氧化限制层；8、低铝层氧化部分；9、介质保护层；10、p型金属；11、n 型金属。
实施方式
18.针对现有技术不足，本发明的解决思路是对现有氧化限制型vcsel的主动区平台结构进行改进，在氧化限制层之上的第二dbr层中设置填充有高导热陶瓷材料的缺陷隔离区，可对刻蚀过程和侧壁氧化过程中所形成的主动区平台表面的表面缺陷复合中心进行有效隔离，同时可将激光器使用过程中产生的热量有效地传导出激光器，从而大幅提升激光器性能和可靠性。
19.具体而言，本发明所提出的具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，包含主动区平台，所述主动区平台包括自下而上依次设置的部分第一dbr层、有源层、氧化限制层、第二dbr层；在所述第二dbr层中设置有缺陷隔离区，所述缺陷隔离区包括靠近主动区平台边缘并环绕主动区平台中心区域的竖直沟槽，所述竖直沟槽在水平方向的投影呈闭合形状，在所述竖直沟槽中填充有高导热陶瓷材料。
20.所述竖直沟槽与主动区平台在水平方向的投影形状既可以相同，也可以不同；优选地，所述竖直沟槽与主动区平台在水平方向的投影形状相同。
21.优选地，所述竖直沟槽与主动区平台边缘在水平方向的距离为0.5 um
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3 um。
22.本发明之所以采用高导热陶瓷材料作为缺陷隔离区中的填充物，是由于其具有化学性质稳定、热膨胀系数小、导热性能好、耐高温的特点；化学性质稳定满足材料直接与gaas接触而不发生化学反应，热膨胀系数小不会造成体积受热膨胀，导热性好可以把激光器产生的热及时传导出来，耐高温特性满足了工艺制程过程可能的高温过程。优选地，所述高导热陶瓷材料为以下材料中的任意一种：aln、alcrn、crn、tin、tialn、tan、sic。
23.在所述缺陷隔离区的形成过程中需要对外延层进行刻蚀以形成竖直沟槽，在此过程中也会在竖直沟槽内壁表面产生部分缺陷以及不稳定的欠氧化物（例如aso
x
、gao
x
等），同时也会产生部分应力，这样就会一定程度上减弱缺陷隔离区所带来的性能和可靠性提升。
24.为解决上述问题，进一步地，在填充所述高导热陶瓷材料之前所述竖直沟槽的内侧壁面经三甲基铝表面处理，具体方法如下：在250-350 ℃的处理温度和50-500 pa的处理压力下，进行若干次以下循环处理：先在反应室中通入三甲基铝，通入时间5-60 s，然后通入氮气，通入时间5-60 s。采用tma处理可以有效地去除缺陷隔离台阶表面的不稳定的欠氧化物，这类欠氧化物的去除可以降低激光器使用过程中的漏电，提高激光器性能和可靠性。
25.更进一步地，在所述三甲基铝表面处理之前，具有所述竖直沟槽的主动区平台经过氮气保护环境下的热处理，热处理温度为250-350 ℃，热处理时间为30-60 min；或者，在所述三甲基铝表面处理之前，具有所述竖直沟槽的主动区平台经过氢气热处理，具体方法如下：在氢气气氛下对具有所述竖直沟槽的主动区平台进行热处理，热处理温度为350-500℃，热处理时间为15-30 min。这样的热处理有助于消除竖直沟槽刻蚀所带来的结构应力。
26.或者采用以下方案替代上述tma处理与（氮气或氢气）热处理的结合，从而达到类似的效果：在填充所述高导热陶瓷材料之前，具有所述竖直沟槽的主动区平台经过氢气热处理，具体方法如下：在氢气气氛下对具有所述竖直沟槽的主动区平台进行热处理，热处理温度为350-500℃，热处理时间为25-40 min。
27.所述缺陷隔离区可在侧壁氧化工序之前形成，也可以在侧壁氧化工序之后形成；优选地，所述缺陷隔离区形成于氧化限制层形成之前。这样，所形成的缺陷隔离区除了可以对刻蚀过程和侧壁氧化过程中所形成的主动区平台表面的表面缺陷复合中心进行有效隔离，将激光器使用过程中产生的热量有效地传导出激光器以外，还可以对侧壁氧化过程中低铝层的氧化进行有效控制，缩小低铝层在侧壁氧化过程中被氧化部分的长度，降低低铝层被氧化所带来的应力影响。
28.为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
本实施例的具有缺陷隔离区的vcsel是在图1所示vcsel的基础上改进而来，其结构如图2所示，相比图1所示vcsel，其不同之处在于其p型dbr层5之中设置有缺陷隔离区6，缺陷隔离区6包括靠近主动区平台边缘并环绕主动区平台中心区域的竖直沟槽，所述竖直沟槽在水平方向的投影呈闭合形状（本实施例中为与圆柱状主动区平台同心的圆环），在所述竖直沟槽中填充有aln、alcrn、crn、tin、tialn、tan、sic等高导热陶瓷材料。
29.图2所示具有缺陷隔离区的vcsel可在图1所示vcsel的制备工艺基础上采用现有成熟半导体制造工艺实现。下面给出其中一种优选的制备工艺：步骤1、本实施例所选用外延片截面如图3所示，包括自下而上的gaas衬底、buffer层、n型dbr层、量子阱有源层、p型dbr层；在上述外延片表面涂布光刻胶，光刻胶膜厚1-5 um；对光刻胶曝光显影，得到无光刻胶覆盖的缺陷隔离区图案，缺陷隔离区图案成环形，参见图4；本实施例中缺陷隔离区图案的宽度为0.5-3um，具体可根据实际激光器的尺寸进行适当调整；步骤2、采用icp干法刻蚀工艺，刻蚀步骤1得到的外延片，刻蚀气体为cl2/bcl3或cl2/sicl4，刻蚀至量子阱有源层之上1-5对p-dbr时停止刻蚀，去除光刻胶，得到圆环形竖直沟槽，参见图5；步骤3、对步骤2得到的具有圆环形竖直沟槽结构的外延片进行热处理，热处理和在ald设备同一腔室内进行，热处理温度为250-350℃，热处理气氛为氮气环境，时间30-60min；步骤4、随后对完成步骤3的外延片用三甲基铝进行圆环形竖直沟槽内表面处理，表面处理温度与热处理在同一个腔室内，且温度相同，表面处理压力50-500pa；所述三甲基铝表面处理由多个循环过程组成，一个表面处理循环过程由以下两步组成：先进行三甲基铝通入，通入时间5-60s，停止通入tma，通入氮气，通入时间5-60s，停止通入氮气；一般选择3-5个表面处理循环过程，参见图6；步骤5、对步骤4表面处理后的外延片表面沉积高导热陶瓷材料以填充圆环形竖直沟槽；本实施例中高导热陶瓷材料沉积与tma表面处理在同一设备不同腔室内进行，tma表面处理后仅需将外延片在真空环境下转移至溅射镀膜腔室即可以进行高导热陶瓷材料沉积，沉积方式为射频溅射，溅射功率50-200w，溅射压力0.1-0.5pa，溅射气体为ar/n2混合气体，优选的高导热陶瓷材料为aln，其导热系数是gaas的十倍多，可更好地进行热传导；完成高导热陶瓷材料沉积后的外延片如图7所示；步骤6、对步骤5得到的外延片进行外延片表面高导热陶瓷材料的去除，仅保留圆环形竖直沟槽内填充的高导热陶瓷材料，即完成了缺陷隔离区的制备；本实施例中的高导热陶瓷材料去除方式为icp刻蚀，刻蚀气体为cl2+ar，刻蚀功率20-50w，刻蚀压力0.5-5pa，完成后的外延片如图8所示；步骤7、在步骤6完成的外延片表面涂布光刻胶，光刻胶膜厚2-10um，使得仅主动区平台区域覆盖光刻胶，其余区域无光刻胶保留；缺陷隔离区与主动区平台光刻胶同圆心，且缺陷隔离区位于主动平台区光刻胶下方被光刻胶覆盖，主动区平台光刻胶边缘至缺陷隔离区之间距离a为0.5-3um，参见图9；步骤8、对步骤7完成的外延片采用icp干法刻蚀工艺，刻蚀气体为cl2/bcl3或cl2/sicl4，刻蚀至量子阱层下层1-10对n-dbr停止刻蚀，参见图10；去除光刻胶，得到具有缺陷
隔离区的主动区平台结构，如图11所示；步骤9、对步骤8得到主动区平台进行侧壁湿法氧化，，得到具有氧化限制层的主动区平台；如图12所示，湿法氧化过程将高铝含量al
x
ga
1-x
as层中的al氧化，而低铝层外缘被氧化的部分也仅限于缺陷隔离区外侧一小段长度，从而有效降低了所产生的应力；步骤10、对步骤9得到的外延片沉积介质保护层，介质保护层厚度为50-500 nm，材料为 sio2、al2o3、tio2、sin
x
、sion等单层或者多种材料复合膜，镀膜工艺为pecvd或者ald，所得外延片参见图13；步骤11、对步骤10得到的外延片表面涂布光刻胶，光刻胶膜厚1-5um；对光刻胶曝光显影，仅使得介质保护层上的金属via孔处无光刻胶，其余区域被光刻胶覆盖；刻蚀去除介质膜并去除光刻胶形成金属via孔，参见图14；步骤12、对步骤11得到的外延片沉积金属，金属为au、pt、ag、al等，参见图15。

技术特征：
1.具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，包含主动区平台，所述主动区平台包括自下而上依次设置的部分第一dbr层、有源层、氧化限制层、第二dbr层；其特征在于，在所述第二dbr层中设置有缺陷隔离区，所述缺陷隔离区包括靠近主动区平台边缘并环绕主动区平台中心区域的竖直沟槽，所述竖直沟槽在水平方向的投影呈闭合形状，在所述竖直沟槽中填充有高导热陶瓷材料。2.如权利要求1所述具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，其特征在于，在填充所述高导热陶瓷材料之前所述竖直沟槽的内侧壁面经三甲基铝表面处理，具体方法如下：在250-350 ℃的处理温度和50-500 pa的处理压力下，进行若干次以下循环处理：先在反应室中通入三甲基铝，通入时间5-60 s，然后通入氮气，通入时间5-60 s。3.如权利要求2所述具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，其特征在于，在所述三甲基铝表面处理之前，具有所述竖直沟槽的主动区平台经过氮气保护环境下的热处理，热处理温度为250-350 ℃，热处理时间为30-60 min。4.如权利要求2所述具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，其特征在于，在所述三甲基铝表面处理之前，具有所述竖直沟槽的主动区平台经过氢气热处理，具体方法如下：在氢气气氛下对具有所述竖直沟槽的主动区平台进行热处理，热处理温度为350-500℃，热处理时间为15-30 min。5.如权利要求1所述具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，其特征在于，在填充所述高导热陶瓷材料之前，具有所述竖直沟槽的主动区平台经过氢气热处理，具体方法如下：在氢气气氛下对具有所述竖直沟槽的主动区平台进行热处理，热处理温度为350-500℃，热处理时间为25-40 min。6.如权利要求1所述具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述竖直沟槽与主动区平台在水平方向的投影形状相同。7.如权利要求1所述具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述竖直沟槽与主动区平台边缘在水平方向的距离为0.5 um
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3 um。8.如权利要求1所述具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述高导热陶瓷材料为以下材料中的任意一种：aln、alcrn、crn、tin、tialn、tan、sic。9.如权利要求1所述具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，其特征在于，所述缺陷隔离区形成于氧化限制层形成之前。

技术总结
本发明公开了一种具有缺陷隔离区的垂直腔面发射激光器，包含主动区平台，所述主动区平台包括自下而上依次设置的部分第一DBR层、有源层、氧化限制层、第二DBR层；在所述第二DBR层中设置有缺陷隔离区，所述缺陷隔离区包括靠近主动区平台边缘并环绕主动区平台中心区域的竖直沟槽，所述竖直沟槽在水平方向的投影呈闭合形状，在所述竖直沟槽中填充有高导热陶瓷材料。相比现有技术，本发明可对刻蚀过程和侧壁氧化过程中所形成的主动区平台侧面的表面缺陷复合中心进行有效隔离，从而有效提高激光器的性能和可靠性。器的性能和可靠性。器的性能和可靠性。


技术研发人员：李加伟 向宇
受保护的技术使用者：苏州长瑞光电有限公司
技术研发日：2023.08.18
技术公布日：2023/10/5