阅读说明：本技术 一种发光均匀的顶发射垂直腔面发射激光器及其制备方法 (Top-emitting vertical-cavity surface-emitting laser with uniform light emission and preparation method thereof ) 是由 郑君雄 崔雨舟 冉宏宇 王青 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种发光均匀的顶发射垂直腔面发射激光器及其制备方法,该方法包括：在衬底上生长外延层(包括上下布拉格反射镜、缓冲层、有源层、过渡层、限制层、接触层)；通过光刻和干法刻蚀在外延层上形成台面结构；通过湿法处理对台面结构进行清洗；通过湿法氧化工艺氧化限制层,在中间形成出光孔；在获得的台面结构上镀膜金属形成上下电极。制备方法优点在于能够提高激光器出射激光的均匀性,并有效抑制氧化过程中出现的分层现象,从而提高顶发射垂直腔面发射激光器的可靠性和稳定性。通过本发明工艺制备得到的顶发射垂直腔面发射激光器克服了之前激光器出射光斑不均匀的问题,对开拓其在多个领域的应用十分有利。(The invention provides a top-emitting vertical cavity surface emitting laser with uniform light emission and a preparation method thereof, wherein the method comprises the following steps: growing an epitaxial layer (comprising an upper Bragg reflector, a lower Bragg reflector, a buffer layer, an active layer, a transition layer, a limiting layer and a contact layer) on a substrate; forming a mesa structure on the epitaxial layer by photolithography and dry etching; cleaning the mesa structure through wet processing; oxidizing the limiting layer through a wet oxidation process to form a light emitting hole in the middle; and plating metal on the obtained mesa structure to form an upper electrode and a lower electrode. The preparation method has the advantages that the uniformity of the laser emitted by the laser can be improved, and the layering phenomenon in the oxidation process is effectively inhibited, so that the reliability and the stability of the top emission vertical cavity surface emitting laser are improved. The top-emitting vertical cavity surface emitting laser prepared by the process overcomes the problem of uneven emergent light spots of the prior laser, and is very beneficial to developing the application of the top-emitting vertical cavity surface emitting laser in multiple fields.)

一种发光均匀的顶发射垂直腔面发射激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体为一种发光均匀的顶发射垂直腔面发射激光器及其制备方法。

背景技术

垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)是一种激光出射方向垂直于芯片表面的半导体激光器，相较于边发射半导体激光器，垂直腔面发射激光器激光器具有温度漂移小、阈值电流低、单纵模出射、发散角小、调制速率高、易于高速通信、圆形光斑易与光纤耦合、光纤传输损耗低、封装简单易于二维集成、工作寿命长等优势，一直受到深入研究，在高速光通信领域的应用前景被十分看好。垂直腔面发射激光器的激光垂直于芯片表面从顶面或底面射出，出射方向由激光波长决定，波长850nm的光通信应用激光器一般采用顶发射结构。

典型的顶发射垂直腔面发射激光器激光器，其基本结构包括上P型和下N型布拉格反射镜以及夹在中间的有源区，上P型和下N型布拉格反射镜都是由高低折射率交替变化的材料构成的多层高反射膜，以实现超过99%的反射率，上P型布拉格反射镜的折射率相对较低，因此激光从上表面出射。为了实现阈值电流低的目的，常用的办法是在有源区的上侧或下侧或者上下两侧生长有限制层。在激光器制备过程中，限制层四周通过湿法氧化工艺被氧化成为低折射率、高绝缘的氧化铝绝缘层，中间未被氧化的限制层成为出光孔，由此实现将光路限制在限制层中间，通过控制反应参数可以决定限制层中出光孔的孔径大小。这种引入限制层和控制合适的出光孔大小的技术可以有效降低器件的阈值电流，并提高电光转换效率，为提升激光器性能起到了很大作用。

然而，垂直腔面发射激光器激光器的上电极形状通常是环形结构，这种结构便于激光从中间出射并降低损耗，但缺点是会造成电场分布不均匀，通常在电极附近电场强度比较强，在相对远离电极的激光器中心位置电场强度比较弱，强度分布的不均匀导致出射的激光光斑分布也不均匀，形成电极附近光强较强、远离电极的中心光强较弱的环状不均匀光斑，严重影响了激光器的性能和实际应用。此外，由于清洗过程中部分清洗剂会和构成激光器的材料发生反应，清洗和氧化工艺完成后，由于不同材料的氧化速率和与清洗剂的反应速率不同，激光器的侧壁表面会变得凹凸不平，即出现分层现象，分层现象也会大大影响产品的可靠性与稳定性。因此，为了解决这些问题，需要开发一种新型的发光均匀的顶发射垂直腔面发射激光器及其制备方案。。

发明内容

本申请的目的是得到一种发光均匀的顶发射垂直腔面发射激光器及其制备方法，该方法能够制得出射光斑均匀的激光器，并且可以通过控制氧化过程的进行，避免分层现象的出现，从而提升产品的可靠性和稳定性，有利于开拓应用范围。

本发明提供的制备方法包括：在衬底上生长外延层，外延层自下而上依次是缓冲层、N型布拉格反射镜、有源层、过渡层、限制层、P型布拉格反射镜、接触层；通过光刻和干法刻蚀在所述外延层上形成台面结构，在刻蚀过程中通过于刻蚀气体中添加氮气从而在台面结构侧壁沉积形成保护膜；通过湿法处理对所述台面结构进行清洗处理，以去除形成台面结构过程中产生并附着于表面上的刻蚀副产物和沉积在侧壁上的钝化膜；通过湿法氧化工艺氧化限制层四周，在中间形成出光孔；在所述台面结构通过镀膜形成上下金属电极；在上表面环形金属电极和接触层之上再覆盖透明导电膜。

最后得到的垂直腔面发射激光器，结构自下而上分别是N型金属电极、衬底、缓冲层、N型布拉格反射镜、有源层、过渡层、限制层、P型布拉格反射镜、接触层、P型金属电极和透明导电膜。

在通过湿法氧化工艺在限制层形成出光孔的步骤之前，P型布拉格反射镜、N型布拉格反射镜与被夹在中间的有源区的侧壁均被刻蚀过程中沉积的含氮钝化膜保护，清洗过程使用不与激光器材料反应的清洗剂去除保护膜，然后立刻进行氧化，可以最大程度的抑制分层现象。清洗处理的时间为1-15分钟。所用到的清洗剂包括中性无机溶剂、中性有机溶剂、酸碱溶剂或溶液（这些清洗剂不与半导体材料，尤其是有源层、限制层材料发生反应）。透明导电膜覆盖上电极及中间露出的接触层。透明导电膜与上电极电性连接。透明导电膜为厚度100-800nm的氧化铟锡膜。引入透明导电膜的优点是其激光透过率超过95%，不影响激光出射，更重要的是透明导电膜的引入，使得上表面的环形电极结构变成平面电极结构，解决了出射激光的光强分布不均匀问题，从而极大扩展了此类垂直腔面发射激光器的应用前景。这种方法不仅适用于顶发射结构，对底发射结构同样适用。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明所述的顶发射垂直腔面发射激光器的结构示意图。

图中：1、N型金属电极；2、衬底；3、缓冲层；4、N型布拉格反射镜；5、有源层；6、过渡层；7、限制层；8、P型布拉格反射镜；9、接触层；10、P型金属电极；11、透明导电膜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1所示本发明所述的顶发射垂直腔面发射激光器，其结构从下到上依次是N型金属电极1、衬底2、缓冲层3、N型布拉格反射镜4、有源层5、过渡层6、限制层7、P型布拉格反射镜8、接触层9、P型金属电极10和透明导电膜11。各个结构的材料分别是：N型金属电极1为钛铂金合金，是面电极；衬底2是砷化镓衬底，采用硅掺杂；缓冲层3为掺铝的砷化镓；N型布拉格反射镜4为铝组分不同的砷化铝镓多层交替结构，采用硅掺杂；N型布拉格反射镜4和有源区之间生长无掺杂的铝组分渐变的砷化铝镓，作用是减小应力，提高有源区量子阱的晶格质量；有源层5包括量子阱和相位匹配层，本发明采用的是砷化铟镓/砷化铝镓多量子阱结构，比起传统的砷化镓/砷化铝镓量子阱结构具有带宽更高、阈值电流更低等优势；过渡层6和限制层7为组分不同的砷化铝镓，用于电流和光场的限制；P型布拉格反射镜8为铝组分不同的砷化铝镓多层交替结构，采用碳掺杂；接触层9为砷化镓，用作欧姆接触；P型金属电极10为金锗镍合金，是环形电极；透明导电膜11选用氧化铟锡膜。

制备过程包括如下所述：首先在衬底2上依次生长各外延结构，得到外延片；用光刻和干法刻蚀工艺得到激光器的台面结构，通过清洗处理去除台面结构上附着的刻蚀副产物和侧壁的钝化膜；通过湿法氧化工艺对限制层7进行侧向氧化，在中间形成出光孔；在上下表面生长金属电极并完成快速退火工艺，最后在上电极和接触层9之上覆盖透明导电膜11，得到最终的顶发射垂直腔面发射激光器器件。

在环形P型金属电极10上覆盖一层透明导电膜11，对应的激光波长的透过率大于95%，不会影响激光出射。透明导电膜11与环形金属电极电性连接，并且使得环形电极变成平面电极，激光器出射面的电场分布变得均匀，实现了出射光斑的强度均匀。

此外，由于部分清洗剂具有腐蚀半导体的性能，清洗过程结束后台面结构的侧壁会变得凹凸不平，出现分层现象，这会影响激光器的可靠性和稳定性。因此在本申请中，采用不与激光器材料反应的清洗剂对台面结构进行清洗处理，即去除限制层7和布拉格反射镜侧壁沉积的钝化膜所用的清洗剂不与器件材料反应，分层现象得到了抑制，大大提升了激光器的性能和稳定性。

最后应说明的是：在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。