專利名稱：一種單模高功率垂直腔面發(fā)射激光器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及垂直腔面發(fā)射激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別是單模高功率的垂直 腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)及制作方法。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)以單色性好、發(fā)散角小、單縱模激射、 低閾值電流、高調(diào)制帶寬、易與光纖耦合、易于高密度集成、"在片"檢測(cè) 和低成本等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于激光打印，光存儲(chǔ)，密度光存儲(chǔ)和讀出，自 由空間光互連以及單模光纖中數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)鹊?。但在這些實(shí)際應(yīng)用中， 多要求VCSEL處于具有穩(wěn)定的基橫模工作特性，特別是高輸出功率的基 橫模工作。傳統(tǒng)的制備單模VCSEL的方法是減小其VCSEL的氧化孔徑， 實(shí)質(zhì)上是為了減少有源物質(zhì)的工作區(qū)域，增加高階模式損耗，由于受限于 發(fā)光的孔徑和微分電阻，單模VCSEL特性一直難以提升。
為了獲得單模高功率VCSEL，人們采用離子注入和氧化限制相結(jié)合、 表面刻蝕，三角形空洞，外腔結(jié)構(gòu)、等多種不同的方法，但這些方法得到 的都是夾雜有高階模式的變形的基模，高階模式的散射損耗不可避免。一 個(gè)有潛力使VCSEL實(shí)現(xiàn)高速、大功率單模輸出的方法是在VCSEL中引入 光子晶體，來(lái)限制橫向光場(chǎng)分布，使之只支持單模運(yùn)轉(zhuǎn)。與其他方法相比， 光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的VCSEL具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可重復(fù)性好、低閾值電流、 高輸出功率等潛在的優(yōu)勢(shì)。
目前，對(duì)于光子晶體VCSEL的研究備受關(guān)注，引起了各國(guó)科研人員 的強(qiáng)烈興趣，早在2002年韓國(guó)先進(jìn)技術(shù)研究院Song等人率先報(bào)道了光子 晶體VCSEL的器件模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。周期5pm單缺陷腔10pm孔徑，邊 模抑制比高達(dá)35 40dB的單模輸出，但輸出功率很低，小于lmW。
2003年Yokouchi小組在理論上進(jìn)一步發(fā)展了光子晶體VCSEL的模型，找到了三維刻蝕深度對(duì)單模條件的影響，引入深度因子，同年制作了
7孔缺陷的室溫CW的光子晶體VCSEL。
2004年A丄Danner小組提出了光子晶體VCSEL設(shè)計(jì)空間，完善理論 模型；同年采用耦合腔的設(shè)計(jì)，將功率提高到2.0mW。
2005年A丄Danner小組通過(guò)優(yōu)化光子晶體VCSEL氧化孔徑，獲得單 模功率3.1mW。
2006年A丄Danner通過(guò)比較1652支不同結(jié)構(gòu)單管，實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了設(shè) 計(jì)空間的概念。
2006年Alight Technologies將光子晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用到長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL中， 在20"C時(shí)單模輸出功率近似達(dá)到3mW，在90'C時(shí)仍發(fā)射出1.4mW的單 模功率，7(TC時(shí)，激光器在整個(gè)電流范圍內(nèi)仍具有大于30dB的超高邊模 抑制比。
但是，到目前為止，現(xiàn)有光子晶體VCSEL的輸出功率并不高，國(guó)際 光子晶體VCSEL最大輸出功率僅為3.1mW。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高功率單模垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu) 和制作方法，改善傳統(tǒng)垂直腔面發(fā)射激光器單模輸出功率低的缺點(diǎn)。
本發(fā)明涉及一種單模高功率垂直腔面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu) 中引入光子晶體，可增大氧化孔徑，提高單模輸出功率；同時(shí)采用鍵合技 術(shù)將傳統(tǒng)VCSEL外延片轉(zhuǎn)移到Si襯底和采用底部出光的設(shè)計(jì)，便于拉近 VCSEL外延片有源區(qū)與Si襯底的距離，改善器件熱學(xué)特性，進(jìn)一步提高 單模輸出功率。所述激光器包括P型電極1， P型Si襯底2， P型電極1 制作在Si襯底2的背面，金屬鍵合層3，通過(guò)金屬鍵合層將Si襯底2和P 型分布布拉格反射鏡(DBR) 4鍵合在一起，P型分布布拉格反射鏡(DBR) 4,與能夠提供增益的有源區(qū)6連在一起，用于提供高的反射率，同時(shí)形成 電流注入通道，P型DBR4在靠近有源區(qū)的包含一層高鋁組分氧化限制層 5，用于形成電光限制，有源區(qū)6三明治式夾雜P型DBR4和N型DBR7 之間，用于提供光增益，N型DBR7用于提供高的反射率，同時(shí)形成電流 注入通道，Si02掩膜8，用于聚酰亞胺或苯并環(huán)丁烯(BCB) 9，制作在
5Si02上面，起到墊高臺(tái)面的目的，N電極IO，做在N型DBR7上面，光 子晶體11 ，做在N型DBR上出光窗口的外圍，刻蝕深度在10 —15對(duì)DBR 層，出光窗口12，位于N型DBR的中心位置。
本發(fā)明還涉及一種單模高功率垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法，其特 征在于，該方法包括如下步驟
步驟一、在VCSEL外延片表面和P型Si片表面分別濺射金屬層，該 金屬層可以是TiAuSnAu、 TiAu等材料，濺射溫度20(TC左右，厚度在1000 —3000A。
步驟二、通過(guò)低溫金屬鍵合技術(shù)將VCSEL外延片與P型Si襯底2 鍵合在一起，金屬鍵合在一定溫度和壓力的鍵合設(shè)備中完成，鍵合溫度250 —400°C，鍵合壓力0.1 —1.5Mpa范圍。
步驟三、減薄GaAs襯底14的一側(cè)，再采用化學(xué)濕法腐蝕的方法先后 去除GaAs襯底14和相應(yīng)的腐蝕停止層13， GaAs襯底去除的腐蝕液采 用體積比NH40H:H202 (1: 20)，腐蝕停止層的去除采用體積比HCL:H20 (2: 1);
步驟四、光刻濕法腐蝕出圓柱形臺(tái)面，暴露出氧化限制層5; 步驟五、進(jìn)行側(cè)向濕法氧化，形成電、光限制，濕法氧化的條件氮
氣化(1—2L/min)攜帶水汽(80—95°C)進(jìn)入400—450。C氧化爐中，氧 化孔徑控制在10 20(im左右；
步驟六、PECVD淀積Si028， Si02是厚度2000—2500A;
步驟七、用聚酰亞胺固化臺(tái)面9，其中聚酰亞胺的厚度小于3M m。
步驟八、光刻腐蝕出光孔里的Si02，采用HF:NH4F:H2O(3ml:6g:10ml) 腐試液，腐試30-40秒；
步驟九、光刻、蒸發(fā)N型電極，N型電極材料可為AnGeNi/Au，厚度 3000 A左右，剝離N型電極。
步驟十、電子束光刻曝光，ICP刻蝕出光子晶體11，光子晶體ll做 在N型DBR上出光窗口的外圈，刻蝕深度在10—15對(duì)DBR層；
步驟H"^—、 Si襯底減薄100pm左右，制備P型電極，濺射溫度200°C， TiAu3500A，最后合金，合金溫度430—450。C，合金時(shí)間30 — 50秒。本發(fā)明提出基于晶片鍵合及光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的單模高功率VCSEL 可以提高單模VCSEL的輸出功率。這種結(jié)構(gòu)中引入光子晶體，可增大氧 化孔徑，提高單模輸出功率；同時(shí)采用鍵合技術(shù)將傳統(tǒng)VCSEL外延片轉(zhuǎn) 移到Si襯底和采用底部出光的設(shè)計(jì)，便于拉近VCSEL外延片有源區(qū)與Si 襯底的距離，改善器件熱學(xué)特性，進(jìn)一步提高單模輸出功率。


圖1是基于晶片鍵合和光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的VCSEL的示意圖2是單模高功率VCSEL制備工藝流程圖3是N型DBR濕法腐蝕后的顯微鏡圖4是濕法氧化后的顯微鏡圖5是聚酰亞胺固化臺(tái)面后的顯微鏡圖6是電子束曝光后的圖片；
圖7是ICP刻蝕光子晶體后圖片。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
實(shí)施例1: P型電極1為TiAu， P型電極1制作在Si襯底2的背面， P型Si襯底2，金屬鍵合層3為TiAu/Sn/AuTi，通過(guò)金屬鍵合層3將Si 襯底2和P型分布布拉格反射鏡(DBR) 4鍵合在一起，P型分布布拉格 反射鏡(DBR ) 4 ， 28個(gè)周期調(diào)制摻雜且組分漸變的 Ga0.1A10.9As/A10.9Ga0.1As材料交替組成，與能夠提供增益的有源區(qū)6連 在一起，用于提供高的反射率，同時(shí)形成電流注入通道，P型DBR4在靠 近有源區(qū)的包含一層高鋁組分氧化限制層5，用于形成電光限制，有源區(qū) 6三明治式夾雜P型DBR4和N型DBR7之間，用于提供光增益，有源區(qū) 6由3個(gè)AlInGaAs量子阱組成，有源區(qū)厚度為R， X為激射波長(zhǎng)，N型 DBR7由22個(gè)周期調(diào)制摻雜且組分漸變A10.9Ga0.1As/Ga0.1A10.9As材料 交替制成，N型DBR7用于提供高的反射率，同時(shí)形成電流注入通道，絕 緣層8采用Si02材料制成，聚酰亞胺9采用光敏感性ZKPI-520I,做在Si02上面，起到墊高臺(tái)面的目的，N型電極10AuGeNi/Au，做在N型DBR7 上面，光子晶體ll，做在N型DBR上出光窗口的外圍，采用電子束曝光 和ICP刻蝕制備得到，刻蝕深度在10—15對(duì)DBR層，出光窗口 12，位 于N型DBR的中心位置。
本發(fā)明在工藝方面，采用清洗、蒸發(fā)電極、金屬鍵合、襯底減薄、襯 底腐蝕去除、濕法腐蝕臺(tái)面、濕法氧化、生長(zhǎng)絕緣膜、光刻、套刻、光子 束曝光、ICP刻蝕、電極蒸發(fā)、帶膠剝離，襯底減薄、合金、解理、壓焊、 封裝等工藝制備垂直腔面發(fā)射激光器。該方法包括如下步驟
1 )采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在N型GaAs襯底14依次先后生 長(zhǎng)腐蝕停層AlAs或GalnP13， 22個(gè)周期調(diào)制摻雜且組分漸變 Alo.9Gao.,As/Ga(uAlo.9As N型DBR7， U腔長(zhǎng)厚的AlGalnAs量子阱有源區(qū) 6，量子阱增益峰值波長(zhǎng)840nm，30個(gè)周期組分漸變Alo.9Ga(uAs/Ga(nAlo.9As P型DBR4， P型DBR4中靠近有源區(qū)附近包含高鋁組分氧化限制層5為 Al0.98Gao.02As0
2) P型Si襯底和VCSEL外延片表面分別濺射TiAuSnAu金屬層，見 圖2 (a)所示。
3) 通過(guò)金屬鍵合技術(shù)將表面濺射有金屬的VCSEL外延片與P型Si 片鍵合在一起，如圖2 (b)。
4) 減薄GaAs襯底14 一側(cè)，減薄少至50-60|im,再采用化學(xué)濕法腐 蝕的方法去除GaAs襯底14和相應(yīng)的腐蝕停止層13，再采用化學(xué)腐蝕的 方法去除GaAs襯底14和相應(yīng)的腐蝕停止層13， GaAs襯底去除的腐蝕液 采用體積比NH40H:H202( 1:20)，腐蝕停止層的去除采用體積比HCL:H20
(2: O腐蝕液，如圖2 (c)。
5) 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光刻掩膜技術(shù)，形成圓柱形臺(tái)面圖形，用光刻膠做掩膜 進(jìn)行濕法化學(xué)腐蝕N型DBR7，有源區(qū)6，部分P型DBR4，直至暴露出 Al,Ga。.Q2As氧化限制層5的側(cè)壁。
6) 通過(guò)濕法氧化工藝將暴露出側(cè)壁Alo.98Gao.。2As層5，氮?dú)釴2攜帶 水汽進(jìn)入氧化爐中，側(cè)向氧化，形成電、光限制孔徑，氧化孔徑控制在10 2(Him左右。濕法氧化工藝條件氮?dú)釴2流量1L/min，水浴溫度95°C， 氧化爐溫度43(TC，氧化時(shí)間30-50分鐘。
87) PECVD高溫300。C淀積絕緣層SiO28。
8) 采用光敏感性ZKPI-520I聚酰亞胺9，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光刻、曝光顯影掉臺(tái)面上聚酰亞胺，然后設(shè)定不同的溫度對(duì)聚酰亞胺固化，墊高臺(tái)面，防止電極斷路。
9) 用標(biāo)準(zhǔn)套刻工藝形成上電極圖形，以光刻膠作掩膜腐蝕掉Si028。腐蝕掉出光孔中的Si02，采用HF:NH4F:H2O(3ml:6g:10ml)腐試液，腐試30-40秒;
10) 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)光刻掩膜技術(shù)，帶膠蒸發(fā)下N型電極AuGeNi/Au，帶膠剝離形成下N型電極10。
11) 通過(guò)電子束光刻曝光技術(shù)，并采用ICP刻蝕技術(shù)在出光窗口外圈刻蝕出光子晶體11， 刻蝕深度1.2-1.5pm。
12) 減薄背面Si襯底，濺射P型電極12TiAu，然后合金，合金條件，在合金爐內(nèi)430—450°C ， 45秒，整個(gè)工藝制備完成后的示意圖見圖2 (d)。
實(shí)施例2: 980nm波長(zhǎng)的單模高功率VCSEL，中間多量子阱有源區(qū)7采用InGaAs/GaAs材料，N型DBR7和P型DBR4分別采用調(diào)制摻雜且組分漸變GaAs/Alo.9Ga(uAs，其它部件與實(shí)施例l相同。
實(shí)施例3: 1310nm波長(zhǎng)的單模高功率VCSEL，中間多量子阱有源區(qū)6，采用GalnNAs/GaAs，或量子點(diǎn)材料，N型DBR7和P型DBR4分別采用調(diào)制摻雜且組分漸變GaAs/Al。.9Ga(nAs材料，其它部分與實(shí)施例1相同。
以上所述，僅是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案提出的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種單模高功率垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，包括一P型電極(1)，該電極(1)制作在襯底(2)的下面，電極材料為TiAu或TiPtAu；一Si襯底(2)，采用P型Si襯底；一金屬鍵合層(3)，通過(guò)金屬鍵合的方法將VCSEL外延層從GaAs襯底轉(zhuǎn)移到P型Si襯底；一P型DBR(4)，用于反射激光腔內(nèi)的光來(lái)形成激光振蕩，組成DBR的每對(duì)材料為調(diào)制摻雜且組分漸變的AlGaAs材料，提供低電阻和高反射率；一氧化限制層(5)，通過(guò)對(duì)該層濕法氧化形成電、光限制；一有源區(qū)(6)，該有源區(qū)材料是InGaAs、AlGaInAs、InGaNAs等量子阱材料或著InGaAs/InAlAs量子點(diǎn)材料，有源區(qū)厚度為1λ，λ為激射波長(zhǎng)用于產(chǎn)生光增益；一N型DBR(7)，用于反射激光腔內(nèi)的光來(lái)形成激光振蕩，DBR的每對(duì)材料為調(diào)制摻雜且組分漸變的AlGaAs或突變的AlGaAs材料，提供低電阻和高反射率；一SiO2掩膜(8)，采用等離子增強(qiáng)型化學(xué)汽相淀積(PECVD)方法淀積，起到絕緣層的作用；一聚酰亞胺(9)，用于通過(guò)聚酰亞胺固化臺(tái)面技術(shù)，墊高臺(tái)面，防止電極斷路；一N型電極(10)，電極材料為AuGeNi/Au；一光子晶體(11)，用于改善VCSEL模式特性，通過(guò)電子束曝光和ICP刻蝕的方法制備得到；以及一出光窗口(12)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述金屬鍵合為低溫鍵合。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模高功率垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述Si襯底為高熱導(dǎo)率襯底。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單模高功率垂直腔面發(fā)射激光器，其特征在于，所述出光窗口制作在N型DBR上，采用底部出光的方式。
5、 一種單模高功率VCSEL的制作方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟步驟一、在VCSEL外延片表面和P型Si片表面濺射金屬層；步驟二、通過(guò)低溫金屬鍵合技術(shù)將VCSEL外延片與P型Si襯底鍵合在一起；步驟三、減薄GaAs襯底(14)的一側(cè)，腐蝕去除GaAs襯底和腐蝕停止層(13);步驟四、光刻濕法腐蝕出臺(tái)面，暴露出氧化限制層；步驟五、進(jìn)行側(cè)向濕法氧化，形成電、光限制；步驟六、PECVD淀積Si02步驟七、用聚酰亞胺固化臺(tái)面；步驟八、光刻腐蝕出光孔里的Si02;步驟九、蒸發(fā)N型電極，光刻剝離AuGeNi/Au;步驟十、電子束光刻曝光，感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕出光子晶體波導(dǎo)；步驟十一、Si襯底減薄，制備P型電極，合金。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的單模高功率垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法，其特征在于，所述聚酰亞胺的厚度小于3p m。
全文摘要
本發(fā)明是一種單模高功率垂直腔面發(fā)射激光器，屬半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域。其特征在于，包括P型電極(1)，P型Si襯底(2)，金屬鍵合層(3)，P型分布布拉格反射鏡(DBR)(4)，氧化限制層(5)，有源區(qū)(6)，N型DBR(7)，SiO₂掩膜(8)，聚酰亞胺或苯并環(huán)丁烯(BCB)(9)，N電極(10)，光子晶體(11)，出光窗口(12)。在該結(jié)構(gòu)的垂直腔面發(fā)射激光器中引入光子晶體，可增大氧化孔徑，提高單模輸出功率，同時(shí)采用鍵合技術(shù)將傳統(tǒng)VCSEL外延片轉(zhuǎn)移到Si襯底上和采用底部出光的設(shè)計(jì)，便于拉近VCSEL外延片有源區(qū)與Si襯底的距離，改善器件熱學(xué)特性，進(jìn)一步提高單模輸出功率。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101667715SQ20081011958
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者劉安金, 張冶金, 彭紅玲, 渠紅偉, 科 王, 鄭婉華, 陳良惠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所