專利名稱:三軸自對(duì)準(zhǔn)法制備內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
采用三軸自對(duì)準(zhǔn)方法制備的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及VCSEL的制備工藝流程。
背景技術(shù)：
垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)由于其特有的物理結(jié)構(gòu)，具有縱模間距大，圓形光斑，易與光纖耦合，易形成二維面陣等優(yōu)點(diǎn)，在光通訊，光互聯(lián)，和光計(jì)算中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
垂直腔面發(fā)射激光器通常主要由上、下分布布拉格反射鏡(DBR)和夾在中間的有源區(qū)構(gòu)成，其中分布布拉格反射鏡是由兩種或者多種折射率不同的半導(dǎo)體或者介質(zhì)材料周期性交替生長(zhǎng)構(gòu)成。有源區(qū)提供光增益，上、下分布布拉格反射鏡提供反饋，并形成諧振腔。
為研究垂直腔面發(fā)射激光器的物理特性，人們通常采用AlxGa1-xAs(x≥0.9)選擇性濕氮氧化內(nèi)腔接觸式器件結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示，。選擇性濕氮氧化工藝的引入大大提高了器件性能，如提高量子效率、降低閾值電流、有效的對(duì)電和光進(jìn)行限制的一種技術(shù)，即將掩埋在有源區(qū)和上分布布拉格反射鏡之間的AlxGa1-xAs(x≥0.9)層的側(cè)壁暴露，在高溫、N2攜帶的水汽中氧化，形成絕緣的，折射率降低的氧化物。通過(guò)控制氧化時(shí)間，控制氧化的厚度，從而控制電流注入的孔徑。電流通過(guò)在上分布布拉格反射鏡和有源區(qū)之間的歐姆接觸電極，經(jīng)過(guò)未氧化的AlxGa1-xAs(x≥0.9)層，注入到有源區(qū)，有源區(qū)中發(fā)射的激光通過(guò)上分布布拉格反射鏡頂出射到表面。
實(shí)際上，對(duì)于內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器的器件結(jié)構(gòu)，存在三個(gè)軸，如與圖1(a)剖面示意圖對(duì)應(yīng)的圖1(b)立體示意圖所示，即由上分布布拉格反射鏡1形成的軸A、環(huán)形歐姆接觸電極2形成的軸B和AlxGa1-xAs(x≥0.9)選擇性濕氮氧化層4形成的C。良好的器件工藝應(yīng)能保證這三個(gè)軸一一對(duì)準(zhǔn)、三個(gè)軸共軸，其中任何一個(gè)孔偏離軸心，將會(huì)降低器件的性能。如若上分布布拉格反射鏡1形成的軸A出光孔偏離軸心，則有可能使得有源區(qū)中產(chǎn)生的光完全或者部分的得不到上分布布拉格反射鏡提供的反饋，使得平均反射率降低，增益減小，閾值增大，輸出功率降低；若環(huán)形歐姆接觸電極2形成的軸B偏離軸心，則使得電極到氧化孔徑的距離在空間上不均勻，電阻不均勻，注入到有源區(qū)中的電流密度不均勻，影響模式特性，并易出現(xiàn)跳模現(xiàn)象；若AlxGa1-xAs(x≥0.9)選擇性濕氮氧化層4形成的軸C偏離軸心，則同時(shí)引起光增益減小和有源區(qū)中電流密度分布不均勻的現(xiàn)象。因此，為得到良好的器件性能，如何得到良好的內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器的工藝制備是科研人員的重要研究?jī)?nèi)容。
目前人們借助昂貴的、精確控制的光刻系統(tǒng)(如Karl Suss單面光刻機(jī)需要約15～20萬(wàn)歐元)和豐富的光刻經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次光刻、多次腐蝕制備出內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器器件。圖2給出了目前常用的一種器件制備工藝流程，首先如圖2(a)所示，采用光刻膠作為掩膜，腐蝕上分布布拉格反射鏡1至歐姆接觸層3，并腐蝕出一定面積的歐姆接觸層；然后如圖2(b)所示，套刻，并采用光刻膠為掩膜，腐蝕歐姆接觸層3和AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4，暴露出AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4的側(cè)壁；繼續(xù)采用套刻的方法，光刻出引線孔，制備p型電極。最后經(jīng)過(guò)背面減薄、拋光，制備n型電極，如圖2(c)所示。所謂套刻，是指通過(guò)調(diào)節(jié)在光刻機(jī)上旋鈕，將樣品上的圖形和光刻版上的圖形對(duì)準(zhǔn)，在垂直腔面發(fā)射激光器的制備中，要求將每個(gè)軸的軸心對(duì)準(zhǔn)。由于整個(gè)器件制備工藝中采用了3次精確套刻，即使操作人員有豐富的光刻經(jīng)驗(yàn)，但是受到光刻機(jī)光刻精度的限制(目前世界上最好的光刻機(jī)之一，Karl Suss光刻機(jī)的套刻精度為0.5μm)和人眼視覺(jué)誤差的限制，從理論上講，無(wú)法精確的做到、并且重復(fù)的做到三軸完全對(duì)準(zhǔn)。三個(gè)軸不能每次完全對(duì)準(zhǔn)，根據(jù)上述分析，必然會(huì)導(dǎo)致器件性能下降，和器件制備工藝的不重復(fù)性。在大生產(chǎn)中，這種不重復(fù)性是降低成品率的關(guān)鍵因素之一。因此各個(gè)單位為提高成品率，一是高薪聘請(qǐng)有豐富經(jīng)驗(yàn)的光刻人員，而是購(gòu)買(mǎi)昂貴的高精度的光刻系統(tǒng)，以提高產(chǎn)品的成品率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三軸自對(duì)準(zhǔn)法制備內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器的工藝流程，即使使用國(guó)產(chǎn)的，光刻精度低的光刻機(jī)，也能夠重復(fù)的獲得三軸對(duì)準(zhǔn)的垂直腔面發(fā)射激光器器件，解決目前垂直腔面發(fā)射激光器器件工藝制備中存在的三軸不能重復(fù)的完全對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明涉及的內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器器件，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，包括有依次縱向?qū)盈B上分布布拉格反射鏡1，p型歐姆接觸電極2，歐姆接觸層3，AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4，p型限制層5，有源區(qū)6，n型限制層7，下分布布拉格反射鏡8，緩沖層9，襯底10和n型電極11構(gòu)成。
本發(fā)明提出的三軸自對(duì)準(zhǔn)法制備內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器制備流程如圖3-1～9所示，各個(gè)步驟均采用常規(guī)技術(shù)，其特征在于，它包括以下步驟(1)在內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器樣品表面光刻，如圖3-1所示；(2)采用光刻膠做掩膜，腐蝕上分布布拉格反射鏡1到歐姆接觸層3，腐蝕后的上分布布拉格反射鏡1呈雙溝狀，如圖3-2所示；(3)在整個(gè)樣品表面淀積p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au 2，如圖3-3所示；(4)剝離，只在歐姆接觸層3上留有p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au 2，如圖3-4所示；(5)套刻，將光刻膠覆蓋上分布布拉格反射鏡1且光刻膠邊緣不超過(guò)p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au 2的邊緣，即只要將夾在雙溝中間的上分布布拉格反射鏡1上覆蓋有掩膜材料即可，如圖3-5所示；(6)光刻膠和p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au2共同作為掩膜，分別向下腐蝕無(wú)掩膜保護(hù)的上分布布拉格反射鏡1和歐姆接觸層3、AlxGa1-xAs(x≥0.9)，濕氮氧化層4，如圖3-6所示；(7)去掉步驟(6)遺留的光刻膠，如圖3-7所示；(8)放到濕氮氧化爐中進(jìn)行常規(guī)的AlxGa1-xAs(x≥0.9)，濕氮氧化，控制氧化時(shí)間，形成氧化孔徑，如圖3-8所示；(9)將樣品減薄，拋光，制備n型歐姆接觸電極11，如圖3-9所示。
本發(fā)明中提出的工藝流程，關(guān)鍵在于連續(xù)使用了兩個(gè)自對(duì)準(zhǔn)，不僅僅大大降低光刻的難度，而且從工藝設(shè)計(jì)上保證了軸A、B、C一一對(duì)準(zhǔn)。
本發(fā)明中p型歐姆接觸電極2的作用除去起到掩膜的作用，保證三軸共軸，同時(shí)在進(jìn)行AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化工藝的同時(shí)金屬化，與GaAs歐姆接觸層3形成良好的歐姆接觸。
本發(fā)明中對(duì)圖3-5中光刻精度要求大大降低，只要求光刻膠將上分布布拉格反射鏡1覆蓋，且光刻膠邊緣不超出兩邊p型歐姆接觸電極2的最外邊緣即可，大大降低光刻難度。
本發(fā)明給出的工藝流程與常用的工藝流程相比，不增加光刻次數(shù)，而且大大降低光刻精度的要求。



圖1(a)內(nèi)腔接觸型垂直腔面發(fā)射激光器器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖圖中1、上分布布拉格反射鏡，2、p型歐姆接觸電極，3、歐姆接觸層，4、AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層，5、p型限制層，6、單量子阱，或者多量子阱，或者量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的有源區(qū)，7、n型限制層，8、下分布布拉格反射鏡，9、緩沖層，10、襯底，11、n型歐姆接觸電極。
圖1(b)與圖1(a)對(duì)應(yīng)的內(nèi)腔接觸型垂直腔面發(fā)射激光器器件結(jié)構(gòu)立體示意圖其中1、上分布布拉格反射鏡；2、p型歐姆接觸電極；4、AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層；圖2目前常用的內(nèi)腔接觸型垂直腔面發(fā)射激光器器件制備工藝流程示意圖；其中(a)腐蝕上分布布拉格反射鏡1至歐姆接觸層3；(b)通過(guò)光刻腐蝕的方法暴露出AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4的側(cè)壁；(c)AlxGa1-xAs(x≥0.9)濕氮氧化層4氧化形成一定尺寸的氧化孔徑；(d)分別制備p型和n型歐姆接觸電極2和11。
圖3-1～9本發(fā)明提出的內(nèi)腔接觸型垂直腔面發(fā)射激光器器件制備工藝流程示意圖；其中圖3-1光刻；圖3-2腐蝕；圖3-3淀積p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au 2；圖3-4剝離；圖3-5套刻；圖3-6腐蝕；圖3-7去膠；圖3-8濕氮氧化；圖3-9樣品減薄，拋光，制備n型歐姆接觸電極11。
具體實(shí)施方式
如圖3-1～9所示，其制備過(guò)程和方法如下1.采用普通金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法在n+-GaAs襯底10上依次外延生長(zhǎng)GaAs緩沖層9，28對(duì)70nm GaAs/80nm Al0.9Ga0.1As下分布布拉格反射鏡8，110nm AlxGa1-xAs(x＜0.5)n型限制層7，10nmGaAs/8nm InGaAs多量子阱6，110nm AlxGa1-xAs(x＜0.5)p型限制層5，80nmAl0.98Ga0.02As濕氮氧化層4，100nm GaAs歐姆接觸層3，20對(duì)70nmGaAs/80nm Al0.9Ga0.1As上分布布拉格反射鏡1，其中GaAs和Al0.9Ga0.1As分別為構(gòu)成上、下分布布拉格反射鏡的兩種材料。
2.采用Karl Suss BJ3型光刻機(jī)，和正膠PR4200光刻膠，曝光、顯影后在MOCVD生長(zhǎng)樣品表面形成如圖3-1所示光刻膠圖形。
3.采用傳統(tǒng)的干法刻蝕技術(shù)(如ICP或者RIE)或者濕法化學(xué)腐蝕技術(shù)(如H2SO4、H2O2、H2O腐蝕液)腐蝕上分布布拉格反射鏡1到GaAs歐姆接觸層3，腐蝕圖形的剖面示意圖如3-2所示。
4.采用蒸發(fā)或者濺射的方法淀積歐姆接觸電極2Ti/Pt/Au，如圖3-3所示。
5.將樣品放置在丙酮中，剝離光刻膠上的Ti/Pt/Au，只在歐姆接觸層3上留下Ti/Pt/Au，如圖3-4所示。這一工藝步驟屬于自對(duì)準(zhǔn)，保證了歐姆接觸電極2與上分布布拉格反射鏡1共軸。
6.套刻，使得光刻膠覆蓋上分布布拉格反射鏡1和部分p型歐姆接觸電極2Ti/Pt/Au，如圖3-5所示。此步驟要求只要將上分布布拉格反射鏡1覆蓋，且光刻膠邊緣不超過(guò)p型歐姆接觸電極2Ti/Pt/Au的外邊緣即可，大大降低光刻精度。
7.光刻膠和歐姆接觸電極2Ti/Pt/Au共同起掩膜作用，采用干法刻蝕或者濕法腐蝕技術(shù)，首先腐蝕無(wú)光刻膠保護(hù)的上分布布拉格反射鏡1至歐姆接觸層2，再腐蝕無(wú)Ti/Pt/Au保護(hù)的GaAs歐姆接觸層2部分，和Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層4部分，將濕氮氧化層4的側(cè)壁充分暴露。由于Al0.98Ga0.02As濕氮氧化層4的圓柱是由歐姆接觸層2Ti/Pt/Au起掩膜保護(hù)作用由腐蝕形成的，保證了與環(huán)形歐姆接觸電極2共軸。
8.去掉光刻膠，如圖3-7所示。
9.將清洗干凈的樣品置于由N2攜帶水汽進(jìn)入350～500℃的濕氮氧化爐中，氧化50分鐘，得到氧化孔徑尺寸為10微米的樣品，如圖3-8所示。p型歐姆接觸電極2在高溫氧化爐中同時(shí)進(jìn)行金屬化，形成電阻小的p型歐姆接觸電極。
10.將背面減薄、拋光，蒸發(fā)Au/Ge/Ni/Au，合金，形成n型歐姆接觸電極，如圖3-9所示。
權(quán)利要求
1.一種三軸自對(duì)準(zhǔn)方法，用于制備內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器件，其特征在于，它包括以下步驟1)在內(nèi)腔接觸式垂直腔面發(fā)射激光器樣品表面光刻；2)采用光刻膠做掩膜，腐蝕上分布布拉格反射鏡(1)到歐姆接觸層(3)，腐蝕后的上分布布拉格反射鏡(1)呈雙溝狀；3)在整個(gè)樣品表面淀積p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au(2)；4)剝離，只在歐姆接觸層(3)上留有p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au(2)；5)套刻，將光刻膠覆蓋上分布布拉格反射鏡(1)且光刻膠邊緣不超過(guò)p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au(2)的邊緣，即只要將夾在雙溝中間的上分布布拉格反射鏡(1)上覆蓋有掩膜材料即可；6)光刻膠和p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au(2)共同作為掩膜，分別向下腐蝕無(wú)掩膜保護(hù)的上分布布拉格反射鏡(1)和歐姆接觸層(3)、AlxGa1-xAs濕氮氧化層(4)，其中x≥0.9；7)去掉步驟6)遺留的光刻膠；8)放到濕氮氧化爐中進(jìn)行常規(guī)的AlxGa1-xAs濕氮氧化，其中x≥0.9，控制氧化時(shí)間，形成氧化孔徑；9)將樣品減薄，拋光，制備n型歐姆接觸電極(11)。
專利摘要
三軸自對(duì)準(zhǔn)方法制備的垂直腔面發(fā)射激光器屬半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域：
。流程如圖3-1～9所示，各步驟均用常規(guī)技術(shù)，包括以下步驟光刻；采用光刻膠做掩膜，腐蝕上分布布拉格反射鏡1到歐姆接觸層3，并呈雙溝狀；淀積p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au 2；剝離，只在歐姆接觸層3上留有Ti/Pt/Au；套刻；光刻膠和p型歐姆接觸電極Ti/Pt/Au 2共同作為掩膜，分別向下腐蝕無(wú)掩膜保護(hù)的上分布布拉格反射鏡1和歐姆接觸層3、Al
文檔編號(hào)H01S5/183GKCN1305191SQ200410029946
公開(kāi)日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2004年4月6日
發(fā)明者郭霞, 沈光地, 杜金玉, 鄒德恕 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (6),