垂直腔面发射激光器制备方法及垂直腔面发射激光器
阅读说明：本技术 垂直腔面发射激光器制备方法及垂直腔面发射激光器 (Vertical cavity surface emitting laser and preparation method thereof ) 是由 曼玉选 赖铭智 郭海侠 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种垂直腔面发射激光器制备方法,包括：对柱状主动区平台进行氧化处理以形成氧化孔的步骤,具体如下：第一次湿法氧化,在柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸大于目标孔径尺寸的第一氧化孔,然后去除氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；第二次湿法氧化,在柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸小于第一氧化孔但大于目标孔径尺寸的第二氧化孔,然后去除氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；依此类推,直到第N次湿法氧化后,形成孔径尺寸等于目标孔径尺寸的氧化孔,N为大于等于2的整数。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。本发明可消除氧化限制层在氧化过程中出现开裂或者鼓裂的现象,从而有效提高器件可靠性。(The invention discloses a preparation method of a vertical cavity surface emitting laser, which comprises the following steps: performing oxidation treatment on the columnar active region platform to form an oxidation hole, which specifically comprises the following steps: performing wet oxidation for the first time, forming a first oxidation hole with the aperture size larger than the target aperture size in the middle of an oxidation limiting layer in the columnar active region platform, and then removing a circle of aluminum oxide on the outermost circle of the oxidation limiting layer; performing wet oxidation for the second time, forming a second oxidation hole with the aperture size smaller than that of the first oxidation hole and larger than that of the target in the middle of the oxidation limiting layer in the columnar active region platform, and then removing a circle of aluminum oxide on the outermost circle of the oxidation limiting layer; and repeating the steps until an Nth wet oxidation, forming oxidized pores with the pore size equal to the target pore size, wherein N is an integer greater than or equal to 2. The invention also discloses a vertical cavity surface emitting laser. The invention can eliminate the phenomenon of cracking or bulging of the oxidation limiting layer in the oxidation process, thereby effectively improving the reliability of the device.)
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
垂直腔面发射激光器VCSEL是利用设置在有源区上下两侧的分布式布拉格反射器作为谐振腔，产生出光方向垂直于外延表面的一类半导体激光器。相比于边发射半导体激光器，VCSEL具有体积小、可简易封装、二维扩展性高等优点，在数据通信、消费电子、激光雷达等领域取得广泛应用。
现有VCSEL在制作的过程中，多采用氧化孔的方法定义出光孔。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，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；在外延生长形成的层结构中蚀刻出柱状（通常为圆柱状）主动区平台，需要确保所述氧化限制层暴露于所述主动区平台的侧壁；对主动区平台的侧壁进行氧化处理，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化学性质稳定的氧化铝（α-Al2O3）层，α-Al2O3具有良好的绝缘性，有效地阻隔了注入电流的通过，能够很好限制注入电流的侧向扩散，同时α-Al2O3具有较小的折射率，能够使光场更为集中在电路注入窗口区域，提高了光场与有源区的交叠，增加光限制因子，起到减小器件阈值电流的作用，而中间未被氧化的区域构成氧化孔，也就是VCSEL的出光孔和电流注入区；之后再经过表面钝化，平坦化工艺（即用聚酰亚胺，苯并环丁烯等聚合物填充沟槽），以及制作电极并引出等步骤。
上述工艺工程中，氧化孔的形成十分关键。现有氧化孔的形成通常采用湿法氧化工艺，所谓湿法氧化工艺是指：在高温下，AlGaAs与氮气或氮氢混合气携带的水蒸气发生反应，生成Al的化合物α-Al2O3、Al(OH)x、As的化合物As2O3以及气体H2、O2等。发明人经过长期实践发现：由于在湿法氧化过程中有气体的产生，以及AlGaAs和α-Al2O3材料的晶格常数不同导致的材料收缩，氧化限制层常常出现开裂或者鼓裂的现象，会造成激光器的电光特性恶化，甚至器件失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种垂直腔面发射激光器制备方法，通过多次湿法氧化的工艺来消除氧化限制层在氧化过程中出现开裂或者鼓裂的现象，从而有效提高器件可靠性。
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：对柱状主动区平台的侧壁进行氧化处理以在所述柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔的步骤；所述氧化处理的方法具体如下：先对柱状主动区平台的侧壁进行第一次湿法氧化，在所述柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸大于目标孔径尺寸的第一氧化孔，然后去除所述氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；对柱状主动区平台的侧壁进行第二次湿法氧化，在所述柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸小于第一氧化孔但大于目标孔径尺寸的第二氧化孔，然后去除所述氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；依此类推，直到对柱状主动区平台的侧壁进行第N次湿法氧化后，在所述柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸等于目标孔径尺寸的氧化孔，N为大于等于2的整数。
优选地，N=2。
进一步优选地，第一氧化孔的孔径尺寸为目标孔径尺寸的130%～160%。
优选地，使用可以与氧化铝产生化学反应生成水溶性物质的腐蚀液来去除所述氧化限制层最外圈的一圈氧化铝。
进一步优选地，所述腐蚀液为强碱性溶液。
更进一步优选地，所述强碱性溶液由KOH：水按1：12的配比组成。
进一步地，所述制备方法还包括：在完成氧化处理的柱状主动区平台表面形成钝化层的步骤。
基于以上技术方案还可以得到：
一种垂直腔面发射激光器，使用如上任一技术方案所述方法制备得到。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明通过氧化—腐蚀—氧化的多次湿法氧化来实现氧化孔的制备，有限减少了单次氧化反应所产生的气体，从而制作出氧化限制层的外圈带有空气隙结构的氧化限制型VCSEL，该空气隙区域能够为内部的氧化区域提供应力缓冲，且改善了在湿氧化过程中材料内部产生的反应气体无法排出所导致的氧化层鼓裂情况；此外，采用氧化—腐蚀—氧化的多次湿法氧化工艺能更严格控制氧化孔的形状和尺寸，相比传统一次性氧化工艺具有更好的重复性，因此所生产VCSEL的一致性更好。
附图说明
图1为具体实施例中的氧化孔生成的工艺流程示意图；
图2为具体实施例中所制备VCSEL的结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术的氧化孔制备过程中氧化限制层容易出现开裂或者鼓裂的问题，本发明的解决思路是通过氧化—腐蚀—氧化的多次湿法氧化来实现氧化孔的制备，有限减少了单次氧化反应所产生的气体，从而制作出氧化限制层的外圈带有空气隙结构的氧化限制型VCSEL，该空气隙区域能够为内部的氧化区域提供应力缓冲，且改善了在湿氧化过程中材料内部产生的反应气体无法排出所导致的氧化层鼓裂情况；此外，采用氧化—腐蚀—氧化的多次湿法氧化工艺能更严格控制氧化孔的形状和尺寸，相比传统一次性氧化工艺具有更好的重复性，因此所生产VCSEL的一致性更好。
本发明所提出的垂直腔面发射激光器制备方法，包括：对柱状主动区平台的侧壁进行氧化处理以在所述柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔的步骤；所述氧化处理的方法具体如下：先对柱状主动区平台的侧壁进行第一次湿法氧化，在所述柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸大于目标孔径尺寸的第一氧化孔，然后去除所述氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；对柱状主动区平台的侧壁进行第二次湿法氧化，在所述柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸小于第一氧化孔但大于目标孔径尺寸的第二氧化孔，然后去除所述氧化限制层最外圈的一圈氧化铝；依此类推，直到对柱状主动区平台的侧壁进行第N次湿法氧化后，在所述柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成孔径尺寸等于目标孔径尺寸的氧化孔，N为大于等于2的整数。
上述技术方案中具体的湿法氧化次数N可根据实际芯片大小以及所要制备的氧化孔形状及孔径等参数进行灵活选取；从实际效果与工序增加综合考虑，优选地，N=2；进一步优选地，第一氧化孔的孔径尺寸为目标孔径尺寸的130%～160%。
所述氧化限制层最外圈氧化铝的去除，优选使用可以与氧化铝产生化学反应生成水溶性物质的腐蚀液来实现，如pH小于7的酸性溶液或者pH大于7的碱性溶液。对于使用GaAs或者InP材料为衬底的器件，酸性溶液（如磷酸、盐酸、稀硫酸等）通常会腐蚀GaAs或者InP材料，对器件造成不可修复的损伤。而在碱性溶液中，KOH是一种强各向异性腐蚀液，并且与Al2O3反应的生成物偏铝酸钾在水中具有很高的溶解度，在反应过程中不易于有晶体析出，同时为了易于控制KOH对Al2O3的腐蚀过程，通常稀释该溶液，减缓腐蚀速率，因此优选KOH溶液；进一步优选所述KOH溶液为由KOH：水按1：12的配比组成。
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：
本实施例的制备工艺具体如下：
首先在衬底上进行晶片外延生长，生成由自下而上的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反射镜所构成的层结构，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；
通过干法或湿法刻蚀工艺在所述层结构中形成柱状主动区平台，并确保所述氧化限制层暴露于所述主动区平台的侧壁；
对柱状主动区平台的侧壁进行氧化处理以在所述柱状主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；本实施例中的氧化处理过程如图1所示，具体如下：
步骤1、将待氧化的晶圆放入湿氧化设备中，进行第一次湿法氧化工艺：
将需要氧化的晶圆放置在氧化炉的托盘上，之后对腔室进行抽真空，进入湿氧化过程：将托盘加热到400℃以上，将100℃的水蒸气由氮氢混合气带入氧化炉腔室内；本次氧化时间在5分钟左右；之后关闭水蒸气通路，使晶圆在氮气氛围下自然冷却至室温；第一次湿法氧化工艺所生成氧化孔的孔径尺寸为目标孔径尺寸5μm-7μm的130%～160%；
步骤2、待晶圆温度降至室温后取出，进行腐蚀工艺：
从氧化炉中取出晶圆后，将其完全沉浸在由KOH：水=1：12组成的腐蚀液中，本次腐蚀在室温下进行；为了保证腐蚀的均匀性，腐蚀过程中要不停搅拌；腐蚀时间在1分钟左右；在此过程中，第一次氧化所生成氧化铝的外圈部分被腐蚀掉一圈，腐蚀完成后，柱状主动区平台中的氧化限制层相对于其他层结构向内缩小了一圈；
步骤3、将晶圆再次放入湿氧化设备中，进行第二次湿法氧化工艺；
将腐蚀好的晶圆再次进行湿法氧化工艺，气体流量和温度设定和步骤1相同，本次氧化时间根据最终所要形成的氧化孔径大小实时进行调整；
步骤4、在晶圆表面沉积介质膜：
从氧化炉中取出晶圆后，将其放入等离子增强化学气相沉积（PECVD）设备中，在晶圆表面沉积厚度为120nm的氮化硅，作为钝化层，以防止水汽侵入以及隔绝电流注入，这样就在氧化限制层与钝化层之间形成了一圈空气隙。
之后可以用传统工艺完成VCSEL器件的制作，例如沉积金属电极、衬底背面减薄等。
图2显示根据本实施例所形成VCSEL的结构。结构中包含有衬底Substrate，在衬底表面形成的下分布式布拉格反射器N-DBR，多个量子阱/垒组成的有源区MQW，上分布式布拉格反射器P-DBR，位于外延上表面的重掺杂P-GaAs层，用于防止水汽侵入的钝化层Passivation film，用于电流注入的金属层P-Metal。如图2所示，与传统VCSEL结构不同的是：P-DBR中的氧化限制层外围的氧化区域Oxidated area与钝化层Passivation film之间存在一圈空气隙Air-gap。
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