氧化孔生成方法及垂直腔面发射激光器
阅读说明：本技术 氧化孔生成方法及垂直腔面发射激光器 (Oxidized hole generating method and vertical cavity surface emitting laser ) 是由 郭海侠 李加伟 曼玉选 何强 赖明智 于 2021-09-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种氧化孔生成方法,用于在垂直腔面发射激光器制备过程中,对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；所述氧化处理的具体方法如下：先使用氧等离子体对主动区平台的侧壁进行干法氧化,在所述氧化限制层外缘生成一圈疏松多孔结构；然后经由所述疏松多孔结构对主动区平台的侧壁进行湿法氧化,在氧化限制层中间形成所期望的氧化孔。本发明还公开了一种垂直腔面发射激光器。相比现有技术,本发明可在垂直腔面发射激光器制备过程中对氧化限制层的氧化进程进行更为精准的控制,同时有效减少氧化层及GaAs界面的分离或开裂现象。(The invention discloses an oxidized hole generation method, which is used for carrying out oxidation treatment on an active region platform in the preparation process of a vertical cavity surface emitting laser so as to form an oxidized hole in the middle of an oxidation limiting layer in the active region platform; the specific method of the oxidation treatment is as follows: firstly, carrying out dry oxidation on the side wall of the platform of the active region by using oxygen plasma, and generating a circle of loose porous structure at the outer edge of the oxidation limiting layer; the sidewalls of the active region mesa are then wet oxidized through the loose porous structure to form the desired oxidized pores in the middle of the oxidized confining layer. The invention also discloses a vertical cavity surface emitting laser. Compared with the prior art, the method can more accurately control the oxidation process of the oxidation limiting layer in the preparation process of the vertical cavity surface emitting laser, and simultaneously effectively reduce the separation or cracking phenomenon of the oxidation layer and the GaAs interface.)
技术领域
本发明涉及垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL)制备工艺，尤其涉及一种氧化孔生成方法，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)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DBR限制性型结构。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。
氧化限制型结构VCSEL的主要工艺步骤包括：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，VCSEL芯片结构自下而上主要由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主动区平台，需要确保氧化限制层暴露于主动区平台的侧壁；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以氧化铝为主的氧化区域，氧化铝具有良好的绝缘性，可有效阻隔注入电流的通过，并限制注入电流的侧向扩散，同时氧化铝具有较小的折射率，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则构成氧化孔，也就是VCSEL的出光孔和电流注入区；之后再进行表面钝化，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，其孔径、形状以及周边氧化区域的围观结构等均会对最终器件的性能、可靠性等产生影响。现有氧化工艺可分为湿法和干法两类。其中，湿法氧化工艺是一种自限制氧化反应，针对AlAs/AlGaAs材料，一般其自限制反应结束的时间远大于实际氧化工艺需求时间，且此工艺生成的高折射率AlOx结构对光学限制作用可满足器件需求。干法氧化作为一种辅助氧化工艺，其自限制反应一般结束时间较短，当前工艺水平下，尚无法达到器件所需的目标氧化深度。因此，现有技术普遍采用湿法氧化工艺对高铝组分(如Al0.98Ga0.02As)进行氧化，形成Al2O3,Ga2O3,As等化合物，该反应过程较复杂，所以对影响氧化过程的因素，如：工艺温度、H2/O2比例、氧化速率等要求比较严格。若湿法氧化反应过程未达到稳定状态，或部分中间产物(如As2O3、As)未释放完全，则会产生较大的氧化层应力，这种应力会导致氧化层及GaAs界面出现严重的分离或开裂现象。
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，提供一种氧化孔生成方法，可在垂直腔面发射激光器制备过程中对氧化限制层的氧化进程进行更为精准的控制，同时有效减少氧化层及GaAs界面的分离或开裂现象。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种氧化孔生成方法，用于在垂直腔面发射激光器制备过程中，对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；所述氧化处理的具体方法如下：先使用氧等离子体经由主动区平台的侧壁对氧化限制层进行干法氧化，在所述氧化限制层外缘生成一圈疏松多孔结构；然后经由所述疏松多孔结构对氧化限制层进行湿法氧化，在氧化限制层中间形成所期望的氧化孔。
优选地，所述干法氧化与湿法氧化的氧化深度比例为1:3～1:5。
优选地，所述干法氧化的工艺条件具体如下：等离子模式：RIEmode，O2流量：50-200sccm，等离子体生成功率：200-400W，工艺温度≥25℃，工艺时间：10～40min。
优选地，使用不带辅助气体的氧气生成所述氧等离子体。
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，其制备过程包括对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔的步骤；所述氧化孔使用如上任一技术方案所述方法生成。
相比现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用干法氧化与湿法氧化相结合的氧化孔生成工艺，先用干法氧化将靠近外层的高铝组分AlGaAs材料氧化成绝缘材料Al2O3及As2O5，形成较密集的疏松多孔结构，然后基于所生成的疏松多孔结构对后续湿法氧化工艺反应气体进行控制，可在一定条件下使得氧化速率不再依赖于氧化温度及反应气体浓度，为氧化进程的进一步精确控制提供了可能。
本发明技术方案可使得实际氧化速率低于相同湿法工艺条件下的氧化速率，增加了反应时长，使得中间产物As2O3及As2H3得以充分反应，As充分释放，降低氧化层残余应力，有效解决了因As未释放完全引起的氧化层及GaAs界面的分离或开裂现象。
附图说明
图1为具体实施例中的VCSEL剖面结构示意图；其中包含：1.GaAs衬底；2.金属电极；3.N型DBR；4.量子阱；5.P型DBR；6.氧化限制层；7.Cap层；8.Passivation膜层；
图2为具体实施例中所得到氧化限制层的结构示意图。
具体实施方式
针对现有技术采用湿法氧化工艺生成氧化孔所存在的难以精准控制氧化进程以及容易出现氧化层及GaAs界面的分离或开裂现象的不足，本发明的解决思路是采用干法氧化与湿法氧化相结合的氧化孔生成工艺，先用干法氧化将靠近外层的高铝组分AlGaAs材料氧化成绝缘材料Al2O3及As2O5，形成较密集的疏松多孔结构，然后基于所生成的疏松多孔结构对后续湿法氧化工艺反应气体进行控制，可在一定条件下使得氧化速率不再依赖于氧化温度及反应气体浓度，为氧化进程的进一步精确控制提供了可能。
本发明的氧化孔生成方法，用于在垂直腔面发射激光器制备过程中，对主动区平台进行氧化处理以在所述主动区平台内的氧化限制层中间形成氧化孔；所述氧化处理的具体方法如下：先使用氧等离子体经由主动区平台的侧壁对氧化限制层进行干法氧化，在所述氧化限制层外缘生成一圈疏松多孔结构；然后经由所述疏松多孔结构对氧化限制层进行湿法氧化，在氧化限制层中间形成所期望的氧化孔。
优选地，所述干法氧化与湿法氧化的氧化深度比例为1:3～1:5。
优选地，所述干法氧化的工艺条件具体如下：等离子模式：RIEmode，O2流量：50-200sccm，等离子体生成功率：200-400W，工艺温度≥25℃，工艺时间：10～40min。
所述氧等离子体可以采用现有等离子体生成设备来制备得到，通过对氧气进行激发形成氧等离子体；现有氧等离子体生成工艺通常会在氧气中增加部分Ar作为辅助气体，特别地，为了防止金属铝在氧化形成Al2O3后，受等离子体Ar+轰击，导致Al2O3分解，影响氧化效果及均匀性，还会引起主动区平台侧壁损伤，优选地，使用不带辅助气体的氧气生成所述氧等离子体。
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详细说明：
本实施例中所要制备的VCSEL结构如图1所示，自下而上依次包含：GaAs衬底1、金属电极2、N型DBR3、量子阱4、P型DBR层5、氧化限制层6、Cap层7、Passivation膜层8；其中氧化限制层6被包夹在上、下的P型DBR层5之间。在其制备过程中，先通过蚀刻工艺在外延生长成的层结构中形成主动区平台(即图1中被Passivation膜层8所包覆的部分)；然后对主动区平台进行侧壁氧化处理，以将氧化限制层6中外围的高铝组分材料氧化为主成分为氧化铝的氧化区域，并在氧化限制层6中间形成期望形状和大小的氧化孔。其中，所述氧化处理具体如下：
步骤1、使用氧等离子体经由主动区平台的侧壁对氧化限制层进行干法氧化，在所述氧化限制层外缘生成一圈疏松多孔结构：
为了防止金属铝在氧化形成Al2O3后，受等离子体Ar+轰击，导致Al2O3分解，影响氧化效果及均匀性，以及引起主动区平台侧壁损伤，本实施例使用不带辅助气体的氧气生成所述氧等离子体；该干法氧化的化学反应过程如下：
AlGaAs(s)+o-(g)→Al2O3(s)+As2O3(l)↑
AlGaAs(s)+o-(g)→Al2O3(s)+As2O5(s)
GaAs(s)+o-(g0→Ga2O3(s)+As2O3(l)↑
GaAs(s)+o-(g)→Ga2O3(s)+As2O5(s)
为了避免干法氧化工艺后疏松多孔结构变小甚至消失，导致后续湿法氧化过程无法进行，应对干法氧化工艺条件进行优化，本实施例中所采用的干法氧化工艺具体如下：
干法氧化温度：≥25℃；
干法氧化等离子体生成功率：200-400W；
干法氧化O2气体流量50-200sccm；
干法氧化时间：5-20min；
干法氧化模式：RIE mode；
经以上干法氧化工艺后，氧化限制层的AlGaAs材料经过反应后变成Al2O3及As2O5，主动区平台沿侧壁向内方向形成一圈较薄的疏松多孔结构，其他生成物在反应过程中作为气体排出。
步骤2、经由所述疏松多孔结构对氧化限制层进行湿法氧化，在氧化限制层中间形成所期望的氧化孔：
所述湿法氧化可采用现有VCSEL制程中所使用的工艺或者各种改进工艺，本实施例中采用AET湿法氧化机台进行湿法氧化工艺，其反应程式如下：
AlGaAs(s)+H2O(g)→Al2O3(s)+As2O3(l)↑+H2(g)↑
GaAs(s)+H2O(g)→Ga2O3(s)+As2O3(s)+H2(g)↑
As2O3(s)+H2(g)→As(g)↑+H2O(g)↑
理想的湿法氧化工艺，氧化限制层的AlGaAs材料经过反应后变成Al2O3形成疏松多孔结构，其他气体生成物排出。但因湿法氧化工艺过程较复杂，中间产物，如：As2O3，As2H3等不易于短时间反应完全，容易引起As化合物或As未能完全释放，导致氧化层存在较大的残余应力，进而引起后续高温过程中出现氧化层开裂现象。本实施例中所采用的湿法氧化工艺具体如下:
湿法氧化温度：380℃-420℃；
湿法氧化腔室压力：50-400mbar；
湿法氧化H2O流量：10-30g/L；
湿法氧化H2/N2流量：0.6-1.1L/min；
湿法氧化时间：10-40min；
湿法氧化的氧化深度与氧化时间公式如下：
g0＝δw/δt|t＝0＝K1*N0
其中，w(t)为氧化层深度随氧化时间变化的函数，K1是比例常数，K2是自限制反应的中止常数，N0是单位面积内可用于湿氧化反应的扩散通道的数量，t是湿氧化反应时间，g0是氧化速率。
以上公式表明在湿氧化工艺参数及氧化层材料固定的条件下，氧化速率由N0决定。由于经过干法氧化工艺后，氧化限制层侧壁已由Al2O3及As2O5形成疏松多孔结构，且经过干法氧化工艺形成的多孔结构较湿法氧化工艺密集，即第二阶段的湿法氧化工艺的N0小于纯湿法氧化工艺形成的N0。基于以上公式，N0越小，相同时间内氧化深度越小，氧化速率越小，即达到相同氧化深度所需的时间越长，对于相同反应条件下，反应时间越长，则As2O3及As2H3与H2O或H2反应生成As越完全，As或As化物释放越完全，则氧化层残余应力越小。这样，就通过第一阶段干法氧化工艺形成的密集型疏松多孔结构，有效的控制了第二阶段湿法氧化速率，使得湿法氧化工艺不再是单纯的时间依赖性或温度依赖性，在目标氧化深度下，有效的延长了反应时间，降低了的氧化层应力，解决了因As未释放完全引起的氧化层开裂问题。此外，由于氧化速度的相对降低，也可实现对氧化孔形状、孔径的更精准控制，使得最终生成的氧化孔更接近期望。实际上，通过实验验证也发现，在相同湿法氧化工艺下，本发明第二阶段湿法氧化过程的氧化速率低于单纯使用湿法氧化进行氧化孔生成的氧化速度。
本实施例最终生成氧化限制层的结构如图2所示，可以看出其外缘有一圈由干法氧化(Dry oxidation)所生成的更密集的多孔结构，内圈则为由湿法氧化(Wet oxidation)所生成的没有那么密集的多孔结构，氧化限制层的中间部分即为未被氧化的高铝组分构成的氧化孔(Aperture)。如图2所示，在氧化过程中P型DBR层5与氧化限制层6之间会随着氧化时间的延长而形成Ga2O3层，此种结构会造成AlGaAs/GaAs界面出现粗糙层(GaAs roughnesslayer)。此粗糙层会降低AlGaAs及GaAs界面间粘附力，若氧化层在氧化工艺中止后，残余过多膜层应力，则在后续高温工艺过程中，膜层应力释放引起的机械形变，会导致垂直腔面发射激光器多层堆叠结构从粗糙层(即粘附力最弱层)出现膜层分离或开裂。
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